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)」
 http://www.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=152258

「QNo.153926 SO_2 はなぜ S_2O にならないのでしょうか?」
 http://www.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=153926

「QNo.153926 SO_2 はなぜ S_2O にならないのでしょうか?」
 http://www.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=153926

「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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 http://www.keirinkan.com/
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分子式というのは分子が存在する物質に限って用いられ、その分子に含まれている原子をその数とともに示したものです。
たとえば、水:H2O、アンモニア:NH3といった感じです。


組成式というのは、その物質を構成している原子を最も簡単な整数比で表したものですが、それには2つの可能性があります。
(1)分子が存在する場合でも、種々の理由によって、分子式で表すのが困難な場合には組成式で表します。
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ですね?これを電子式であらわすと
http://www.miyazaki-c.ed.jp/miyazakiminami-h/media/elearn/bakegaku/co2.gif
になります。

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炭素の周りには、電子対は2つなので、軌道二つ分(SP混成軌道)
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http://www.miyazaki-c.ed.jp/miyazakiminami-h/media/elearn/bakegaku/h2o.gif

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http://www.miyazaki-c.ed.jp/miyazakiminami-h/media/elearn/bakegaku/ch4.gif

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文だけで分かりづらいと思うので画像をご覧ください。

まず、簡単に水素原子2つから水素分子1つができる過程を考えます。
それぞれの水素は1s軌道に電子を1つずつ持っています。
この2つの1s軌道は相互作用し、エネルギーの異なる2つの軌道ができます。
このときエネルギーの低い方の軌道は、2つの軌道の電子波の位相(波動関数の符号)を合わせて重なります。
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分子の化学結合理論で、分子軌道法という理論の中で使われます。
文だけで分かりづらいと思うので画像をご覧ください。

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URL http://web1.caryacademy.org/chemistry/rushin/StudentProjects/CompoundWebSites/1999/NitricAcid/properties.htm
を見ました。
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上記URLの図では、H原子と結合していないO原子がまだ電子が一つ不足しているように見受けられます。

H-O-N=O
   ||
O
とすると、N原子の最外殻電子が10個で多すぎます。
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Aベストアンサー

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金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?
半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。
あと自分で調べていたところ「バンド理論」というのを目にしました。
関係があるようでしたらこれも教えて頂くとありがたいです。

Aベストアンサー

こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体の中において金属の自由電子に相当するものは、電子とホールです。この2つは電流を担う粒子ですので、「キャリア」(運ぶ人)と言います。
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これは、水溶液において、H+ と OH- の濃度の積が一定(10^(-14)mol^2/L^2)であるのと実は同じことなのです。

中性の水溶液の温度が高くなると、H2O が H+ と OH- とに解離しやすくなり、H2O に戻る反応が劣勢になります。
それと同様に、真性半導体においても、温度が上がると電子とホールが発生しやすくなるのに比べて、両者が出合って対消滅する反応が劣勢になるため、両者の濃度の積は増えます。
キャリアが増えるので、電流は流れやすくなります。

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