水素原子の結合の理由は？（大学レベル）

どうも、こんにちは。
高校で習う共有結合による説明は耳に蛸ができるほど聞かされてきましたが、では結合する理由はまあ分かっても、なぜ一定の原子間距離に保たれているのかと考えると困ってしまいます。
どうやって説明したらよいのか、今家庭教師をやっていて質問され、困っています。自分では最近シグマ結合やパイ結合をとりあえず理解し、どうにかしようとしているのですが、まだ初心者で難しいです。これらの用語と関係があるのでしょうか。

詳しい方、一定の原子間距離に保たれている理由を述べていただけませんか。詳しく書いていただいても結構です。あとでじっくり読ませていただき、参考にしたいと考えています。

よろしくお願い致します。

No.1 ベストアンサー 回答者： coirn 回答日時： 2009/07/18 13:26

簡単に水分子の場合で説明します。

水は H-O-H と折れ線状に結合し、その結合角は約120度です。
H、O原子の中心には当然原子核があり、その間には結合性電子があります。
この結合性電子は負電荷をもっているので
正電荷をもったそれぞれの原子核を引きよせ「のり」のような働きをし、
HとOをくっつけているのです。結果、原子同士は一定の距離より離れることができなくなります。
それならばなぜそれ以上近づいていかないかというと、原子核・電子同士の反発のためです。
結合している原子がある一定の距離より近づくと、それぞれの原子軌道の重なりが悪くなり、できる分子軌道は反結合性を帯び始めます。
さらに、原子核同士も反発するので、原子同士はある一定の距離より近づくことができなくなります。
これらの理由より、「結合している」原子同士は一定の距離を保たざるを得ません。
厳密に言うと、結合はばねのように伸びたり縮んだりして結合長・結合角は一定ではありませんが。

No.2 回答者： potachie 回答日時： 2009/07/18 22:32

結合は、引力だけで形成されているわけではなく、斥力も働きます。

水素の場合、とても単純で、原子核と原子核の間に働く斥力を、電子が媒介して結びつけているだけです。
斥力の説明は、大学生とのことですので、既に教わっていると思いますが、高校生には単純に＋極モノポール間に働く斥力という説明だけで良いかと思います。
２つの力が働くので、安定的に同じ距離にあるわけではなく揺らぎがあります。これは、化学反応論をマクロに捉えるときに重要ですね。

ご質問の話の理解には、軌道論などは一応、不要かと思いますので、高校生の理解の範囲で説明できるかと。
むしろ、原子核に取り込まれずに電子殻が存在できるという話の方が、高校生には難しいかと思います。高校レベルでは遠心力に頼ることになりますが、コレじゃニュートン力学の世界で、もともと原子構造を議論できるもんじゃないんで。