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酸素の結合について

教えてください。

三重項の方が一重項よりも安定な理由を教えてくだい。

あと、酸素は二重結合だと高校では教わりましたが、あれはウソだったのでしょうか?

よろしくお願いします。

教えて!goo グレード

A 回答 (6件)

#1さんの回答で十分ですね。

それ以降の回答は、私のこの回答も含めて、すべて蛇足です。

フントの規則、パウリの排他原理(あるいは排他律)、構成原理(Aufbau principle)、の三つについては、ネットで調べて済ますのではなく、きちんとした教科書で学んでください。


--- 以下は蛇足 ---

> 酸素は二重結合だと高校では教わりましたが、あれはウソだったのでしょうか?

ウソではありません。酸素分子は二重結合です。三重項基底状態の酸素分子が二重結合なのはもちろんですが、いわゆる一重項酸素も二重結合です。

ウソがあるとすれば、共有電子対が酸素分子には2組ある、というところですね。このようなウソをつくのが嫌いな人は、共有電子対の例として H:H, F:F, N:::N, H:O:H, などを挙げて、酸素分子には言及しなかったりします。そして、そ知らぬ顔で、価標で表すと H-H, F-F, O=O, N≡N, H-O-H となる、と酸素分子をこっそり紛れ込ませます。O::OはウソかもしれないがO=Oはウソではないので間違ったことはいっていない、ということなのでしょう。一方で、ウソと知りながら F-FはF:F, O=OはO::O, N≡NはN:::N, と教える人もいます。早熟な生徒に「ウソでは?」と聞かれたら、「うん、ウソだよ」と答えればよい、そして本当のところを教えてあげればよい、ということなのでしょう。ウソも方便です。

大学の化学の授業でしばしば使われる「ウソも方便」の例としては、構成原理があります。

エネルギー準位の低い軌道から順に電子を詰めていくと基底状態の電子配置が得られる、というのが構成原理ですけど、これはウソです。このウソを糊塗するために、3d軌道より4s軌道の方がエネルギーが低い、というウソをさらに重ねることが多いです。
http://oshiete.goo.ne.jp/qa/4170566.html
典型元素だけで構成されている有機分子などでは構成原理がよく成り立ちますから、ウソも方便になります。3d軌道より4s軌道の方がエネルギーが低い、というウソは、私自身にとっては少し迷惑なウソなのですけど、化学を学ばなければならない大学生の数と遷移金属の化合物について学びたい学生の数との比を考えれば、仕方のないことだろうなとは思います。


>三重項の方が一重項よりも安定な理由を教えてくだい。

これについては理由は明確です。フント則で説明できます。計算するとそうなる、のではなく、フント則はある仮定の下で数学的に証明できます。「理論」が「無い」ということはないです。

ある仮定とは以下の二つです。
仮定1:分子軌道関数は(正準)ハートリーフォック方程式の解である。
仮定2:三重項状態を表す分子軌道関数と一重項状態を表す分子軌道関数は同じである。

何を言っているか分からない、解読不能の仮定にみえるでしょうけど、心配しなくてもいいです。大抵の人には理解できませんし、する必要もありません。大事なことは、量子化学と名のつく授業でもない限り、大学の化学の授業で使われる分子軌道はこの二つの仮定を満たしている、ということです。つまり、最も大事なことは、安心してフント則を使っていい、ということです。

それでもフント則には疑問が残る、ということであれば、例えば
佐甲徳栄「ヘリウム様原子におけるフントの第一規則の起源」日本物理学会誌 68, 358-365 (2013).
http://www.phys.ge.cst.nihon-u.ac.jp/~sako/Artic …
などの解説記事にチャレンジしてみて下さい。


> sp混成の寄与があるためwxとwx,xπは逆転している。

今の議論には無関係なので、わりとどうでもいいですが「厳密には間違っています」。

#2の図も#5の図も、軌道の縮退が明示されていないので、初学者には分かりにくいんじゃないかな、と思います。エネルギー準位図としては#5のリンク先のウィキペディアの図の方が分かり易いでしょう。軌道の順序も間違っていませんし。

ちなみに、ウィキペデアの図も厳密には間違っています (今の議論に関係なくもないけど少し専門的なお話).
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 私たちの世代は高校でs,p,混成軌道もイメージだけは習っていて、大学一年でこのあたり学びました。

もう何十年も前。記憶に間違いがあるかも。

 典型元素の2周期目はとても重要--私は有機--なので・・・
 u,v,w,x,yはエネルギー順位の順番で、σπは接合の形・・
 sp混成の寄与があるためwxとwx,xπは逆転している。

 電子は一番下のzσから入っていく。
 N₂は、wσ²,xπ⁴で三重結合で最も強い 反磁性
 O₂は、wσ²,xπ²で弱い vπに2個の電子があるため常磁性
 F₂は、wσ²で最も弱い 反磁性

 ここにも、それがなぜ三重項なのかの説明がある
 ⇒一重項酸素 - Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%80%E9%87%8D% … )
 一応同じ事書いてあってほっとしてる。それこそ何十年も前の記憶なので自信なかったが(^^)
 ただ前の図で、zσが二つあるのはミスです。上はyσです。
「酸素の結合について」の回答画像5
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#2のお答えが適切ですが、最初の一行が分かりにくい。


三重項で二重結合だよ、と云う事なのですが、等価記号(イコール)で結んだので、意味不明になった。

図の方は、描き慣れて居られぬ様で、無茶苦茶分かりにくい。
無視して下さい。

>三重項の方が一重項よりも安定な理由を教えてくだい。
これについては未だに理由が不明、フント則は疑問が一杯。計算するとそうなるのは確か。だが「理論」が「無い」。

>あと、酸素は二重結合だと高校では教わりましたが、あれはウソだったのでしょうか?
はっきり言ってウソ。
だが、図で分る様に、いやわからんだろうな、説明がないもん。
π結合軌道に四電子、でσ軌道と合せると、三重結合、そこにπ*の反結合軌道に、平行なスピンの二電子が入って、結合を打ち消す。
それで、
1+2-1=2
で二重結合、
これを化学がメインで無い人に説明して、理解して貰えますか?
絶対無理。
大学の分子軌道法を習わないとさっぱりわからない。
私も納得したのは大学院でギリギリ苛められて、突如「あ、なんだ当たり前じゃん」となるまで、鬱々としてました。
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「一重項/三重項」という概念と「単結合/二重結合」という概念はまったく別個のもの.



「一重項」とか「三重項」とかは (大雑把にいうと) 「スピンがペアにならない電子が何個あるか」を表すものだと思っていい. #2 の図を借りると, N2 や F2 はすべての電子がペアになってるから一重項だし, O2 はペアにならない電子が 2個あるので三重項.

一方「単結合」や「二重結合」などは (これも大雑把にいうと) 「結合の強さ」の指標. 結合に関与する原子が同じなら, 単結合より二重結合の方が強いと思っていい.

ということで全く別の見方である以上, 例えば「一重項であるような二重結合」や「単結合だけど三重項」も存在する.

ちなみに #2 の図は厳密には間違っています (ただし今の議論には無関係).
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三重項=二重結合です。


 視点によって呼び名が変わる。

同族元素同士の二原子分子の分子軌道は、次のように考える。
N₂~F₂は次のように考える。

N₂ π軌道が二個とσ結合で三重結合
O₂ π結合は反結合軌道で打ち消されてπ結合1個とσ結合で二重結合
F₂ σ結合一つ残る。一重結合
「酸素の結合について」の回答画像2
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嘘か本当かは誰にも分かりませんが


計算では
酸素分子の結合次数B.O.を計算すると
B.O.=(結合性の電子-反結合性の電子)/2
=(10-6)/2=2
で、簡単にゆうとこれが結合の数ですね。

フント、パウリ、構成原理などに従って
電子を入れていくのが最も安定です。
よって三重項が安定です。
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