硫酸の構造式

Question

硫酸の構造式は中央に硫黄があってそれの四方に二重結合の酸素2個と単結合のヒドロキシル基がありますよね？硫黄がオクテット則に反している気がするのですがどういうことなのでしょうか？配位結合の関係ですか？わかる方教えてください。

ht1914 · Accepted Answer

高校の化学では物質が一定の規則で出来ていることを教えます。その規則は原子の構造から出てきます。周期表を見るとその構造がわかりますから規則もわかります。縦に並んだ元素には共通性があることも強調します。「周期表」という名前は似た性質の元素が繰り返して現れるからこそ付いたものだということになります。原子が大きくなれば構造も複雑になるわけですから上の方の元素にない性質を持つようになります。似ているが同じではないというのは当然のことです。でも共通点に着目しなければ規則になりません。行き当たりバッタリの暗記物にしてしまったのでは「科学」ではなくなります。Ｏ２があればＳ２がある、Ｎ２があればＰ２があるということを知ると生徒は驚きます。Ｈ２ＯがあればＨ２Ｓもあると言うと感心します。全部一つずつ覚えなければいけないと思っていたようです。Ｓ２もあるがそれ以外もある、Ｐ２もあるがそれ以外もあるというのは当然だろうと受け入れてくれます。右端の不活性元素の電子配置と同じになれば安定になるという手がかりで結合を考えます。これでイオンも分子もカバーします。こういうモデルでやりますからふつう構造を考えるのは２０番までの元素です。水素はヘリウムの電子配置で考えます。残りはＮｅ，Ａｒで考えます。これがオクテット則になります。（ここでまた不活性元素も化合物を作るから不活性ではないと言い出す人が出てくると困ります。）

よく出てくる安定な分子はこの規則で考えていくことにします。Ｈ２ＯはあるがＨ３Ｏはない、ＨＯもない。でもＯＨ－，Ｈ３Ｏ＋はあるということがすべてこの規則から出てきます。ＮＨ３はあるがＮＨ４はない、でもＮＨ４＋はあるということも示します。オクテット則が守られているというのは重要な判断基準なのです。例外がぞろぞろ出てきては困ります。数が少ないから例外なんです。配位結合はオクテット則を満たすためには必要な考え方です。と同時にイオン結合から共有結合を考えるという昔よくやられていた方法を避けるためにも必要なものです。結果が同じであれば形式的にイオンを考えても構わないということでＳ６＋１つにＯ２－を４つ組み合わせて共有結合のＳＯ４２－を作るというのは困るのです。中学校ではこの様に教えている先生がいるようです。後で修正できなくて困ります。６＋のイオンになんかなるはずがないということは生徒にはわかりません。結果が同じになるからいいではないかと反論してきます。後でＳの酸化数＋６が出てきてまた元に戻ってしまいます。結局イオンと分子の区別がつかないままになります。あちこちの本にまだＮａ＋とＣｌ－が結合してＮａＣｌという分子を作るという記述があるのはこの流れだと思っています。Ｓ６＋は形式荷電だといわれるかも知れませんが実荷電との違いは化学の初心者にはわかりません。結果が同じになるからといって操作的な表現を専門家がやるというのは困ります。

高等学校の化学では形式荷電で考えるというのは一切出てきません。
ＮＨ３＋Ｈ２Ｏ→ＮＨ４＋＋ＯＨ－
ＨＣｌ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ３Ｏ＋＋Ｃｌ－
の説明で困ります。
ここでは「電子対が片方から提供される」という元々の配位結合の考え方が素直です。ここでそう考えるのであれば硫酸でも硝酸でも使い分けをしないでやればいいと思います。
※　[ＮＨ４]＋の＋は全体としての意味です。でもどの原子の上にあるのかを敢えて答えるとしたらＮということになります。その意味での電荷です。結合が成立する前のＮＨ３についてＮＨ３＋は考えられません。[Ｈ３Ｏ]＋についても同様です。

硫酸も硝酸もよく出てくる分子です。この規則の範囲内で説明できるのであればそれで説明したいと思っています。専門家はもっと詳しいことを知っているでしょう。でもいちいちそれを持ち込んでは混乱するだけです。

一酸化炭素も配位結合を使えばオクテットを満たすように表現できます。３重結合になります。Ｎ２と等電子構造になるので安定な分子であると言うことが出来ます。３重結合よりは２．５重の方が実際に近いのかもしれません。でも配位結合を使えばオクテットを満たさない不安定な化合物であるという印象を覆すことが出来ます。Ｃ＝Ｏだけしか頭にないのとは差があります。酸素と混ぜただけでは反応しない安定な物質だと言うと生徒は驚きます。一酸化炭素中毒は酸素とすぐに結合するから酸素不足になると思っている生徒が結構います。

水質検査の本を見ていてアンモニア性窒素のところでＮＨ４と書いてあるのが目についたことがあります。一冊ではありません。ＮＨ４＋と書くかＮＨ３と書くかのどちらかなのですがそのような区別がわからないようです。きちんとオクテットで結合を判断することが出来ていればわかることなんです。単なる記号の問題としか理解していないのではないでしょうか。この表現を高校の生物部がまた真似をします。研究発表の図表に出てきます。

w-palace · Answer

「原子価殻の拡大」は不評のようですが（笑）・・
それはさておき、配位結合で表す場合には、下記のように表す方法もあります。
つまり、中心原子をS^2+とし、それに、-OHと-O^-が２個ずつ結合しているという書き方です。
そもそも配位結合というのは、電子２個が共有されるという点では共有結合と同じですが、その共有される電子対を片方の原子が提供しているということです。すなわち、あらかじめSが2個のOに1個ずつ電子をあたえ、それぞれ、S^2+および、O^-となった上で共有結合を形成したと考えれば上記の表現になります。配位結合の表現法としては、矢印で表す方法と、上記の方法の２種類があります。

anthracene · Answer

硫酸と硝酸について質問されてますが、同じような酸に塩素のオキソ酸がいますね。
次亜塩素酸HClO、亜塩素酸HClO2、塩素酸HClO3、過塩素酸HClO4です。
これらも、塩素と酸素の間に二重結合を書いてやることもできます。
しかし、これらの化合物は塩化水素HClの塩素原子が酸化されたもの、と考えたほうが性質も構造も理解しやすいものです。
塩素原子のローンペアが酸素原子（より正確には一重項酸素原子）に配位結合して、自分の電子をとられてしまっているのだ、と考えることができます。

anthracene · Answer

ht1994さんの説明のほうが妥当だとおもいます。
第三周期以降の元素だとd軌道も使えるから、8電子以上を持つことができる、という考えも確かにあります。
しかし、理論計算から、近年ではd軌道の関与はほとんど無いという考え方が主流です。
同様のことは、スルホキシド（R2S=O)、スルホン（R2SO2)、ホスフィンオキシド（R3P=O)の二重結合にも当てはまります。

別の説明としては、硫酸イオン（SO4^2-）の構造があります。
このイオンにおいて、SとOの間の結合は四本とも同じ長さであり、イオンは正四面体型になっています。決して、二重結合と単結合になっているわけではありません。むしろ、S^6+とO^2-四つからできた配位結合化合物だと考えたほうが近いです。

w-palace · Answer

No.1の回答のように配位結合を考えるのが無難ですが、第３周期以降の原子に関しては、「原子価殻の拡大」という概念に基づいて、二重結合部分を４電子が共有されているように書く場合もあります。結果的にオクテットは満たされず、形式的に価電子数は12になります。
なぜ第３周期以降かといえば、d軌道の関与が可能になるのが第３周期以降だからです。

ht1914 · Answer

次の質問の硝酸と同じように考えます。配位結合です。

Ｈ－Ｏ－Ｓ－Ｏ－ＨのＳには使っていない電子のペアーが２組あります。その一つを使って酸素が１つくっつくと亜硫酸です。さらにもう一つくっつくと硫酸です。これでもうくっつくことは出来ません。これ以上酸化しようとするとＳではなくてＯが酸化されます。過硫酸Ｈ２Ｓ２Ｏ８は－Ｏ－Ｏ－結合ができています。オクテットで考えた結合です。１０電子形だという説明もあるかも知れませんが高校ではこれで充分だと思っています。

硫酸の構造式

高校の化学では物質が一定の規則で出来ていることを教えます。

「原子価殻の拡大」は不評のようですが（笑）・・

硫酸と硝酸について質問されてますが、同じような酸に塩素のオキソ酸がいますね。

ht1994さんの説明のほうが妥当だとおもいます。

No.1の回答のように配位結合を考えるのが無難ですが、第３周期以降の原子に関しては、「原子価殻の拡大」という概念に基づいて、二重結合部分を４電子が共有されているように書く場合もあります。

次の質問の硝酸と同じように考えます。

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