どうして水分子の立体構造がV字になるのか教えてください。

A 回答 (5件)

こんにちは。


高校生でしょうか?
これは、理科系の大学1年生で習う範囲です。

原子内の電子配置についてどの程度ご存知ですか?
KLMN・・・殻程度では、理解するには不十分です。
K・L・M・N殻はさらに
K殻が1s軌道、
L殻が2s軌道・2p軌道、
M殻が3s軌道・3p軌道・3d軌道、
N殻が4s軌道・4p軌道・4d軌道・4f軌道
と分かれています。
s軌道はイメージとしてxyz方向に等方的な球対称をえがきます。
p軌道はx軸を軸とし正負双方に風船が付いたような軸対称をえがき、
さらにyz軸についても同様になっています。
それぞれを2px軌道、2py軌道、2pz軌道と呼びます。
d軌道はかなり複雑になり、水分子がV字になることを
おおまかに理解するためには特に知らなくてもよいと思うので省略します。

実は、水素原子は1s軌道に1つ電子が配置されており、酸素原子には1s軌道に2つ、2s軌道に2つ、2p軌道に4つの電子が配置されています。
4個のp電子のうち2つは対を作っていない不対電子です。
仮にその不対電子が2px軌道と2py軌道に入っているとすると、
H2OのO-H結合は2px電子および2py電子が水素の1s電子と同時に最大の重なりをするときに安定します。1s軌道は球対称で、2px軌道と2py軌道は直角をなしているので、H-O-Hの結合角は90°になることが予想できますが、OH結合はいくぶんかイオン結合性があり、その結果水素が正電荷を帯びています。その正電荷をもつ水素原子間の反発力により90°より、おおきくなっています。

アンモニア(NH3)などの立体構造についても
同様な考えから説明できます。
またメタン(CH4)、エタン(C2H6)、エチレン(C2H4)、
アセチレン(C2H2)などの立体構造については混成軌道という考え方から
説明できます。

厳密には非常にむずかしいと思います。
私でも、細かいところまではきちんと理解できていません。
必要があれば、私のわかる範囲で補足します。
それでは。
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この回答へのお礼

 混成軌道についてのご説明ありがとうございます。興味が沸きましたので、自分でも調べてみようと思います。

お礼日時:2002/01/30 20:39

rei00 です。

補足拝見しました。

 混成軌道については何度かここでも質問が出ていますので,ご紹介しておきます。それらの回答やそこで紹介されている URL や成書が参考になるかと思います。

「QNo.107599 双極子モーメント」
 http://www.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=107599

「QNo.152258 ~Valence Bond Theory~ (VB理論)」
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「QNo.153926 SO_2 はなぜ S_2O にならないのでしょうか?」
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「QNo.153926 SO_2 はなぜ S_2O にならないのでしょうか?」
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「QNo.160853 ~単結合・二重結合の長さ?@ベンゼン~」
 http://www.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=160853
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この回答へのお礼

 とても分かりやすいHPを紹介いただきありがとうございます。ただ、私のパソコンでは少々エラーが出てしまいます。

お礼日時:2002/01/30 21:01

ふたたび、alpha16です。



No1の方がおっしゃるように、H2OやNH3も混成軌道の考え方で説明できます。
必要があれば、補足説明します。

この回答への補足

 混成軌道のことが初心者でもよく分かる本などがありましたらご紹介していただけませんか。

補足日時:2002/01/30 20:40
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 mitokonguratan さんがどの程度の知識をお持ちかが分かりませんので,とりあえず簡単に回答しておきます。



 水分子(H-O-H)の中心の酸素原子は sp^3 混成軌道を取っています。sp^3 混成軌道は正四面体の頂点の方を向いて出ています。ここで,4つある軌道の2つで水素と結合しているため,水分子は折れ曲がった構造になります。

 いかがでしょうか。必要でしたら補足下さい。
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この回答へのお礼

混成軌道がポイントなのですね、回答ありがとうございました。

お礼日時:2002/01/30 20:37

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