研究

今回は硬い・軟らかいによる酸・塩基の分類について紹介する。いわゆる「HSAB (Hard and Soft Acid and Base)則」とよばれる分類則である。「硬い・軟らかい」という文字から、性質は容易には想像できないかもしれない。錯体の形成能を考えるのに重要なので、ここでしっかりと整理しておこう。

酸と塩基の反応は化学反応の基本事象である。では、何をもって酸と塩基を定義するか。定義にはいくつか種類があるので、それらの違いを簡単に紹介する。そして今回は、最も汎用的に使われる「ルイスの定義」についてまとめていく。ルイス酸塩基は電子の授受によって判断するので、電子移動があれば扱うことができる。

分子軌道理論とルイス構造の記述に見かけ上は大きな差があるように見える。しかし、ルイス構造の主要点の多くは分子軌道理論でも説明可である。一見してとても同じ概念を示しているとは判断しにくいだろう。ここでは「結合次数」の概念を導入し、ルイス構造と分子軌道理論は根幹は同じであるということを紹介していく。

今回は第2周期の元素同士の分子である。前回のフッ化水素のように、片方が水素だと、考えるのが比較的単純であった。COの場合はσ分子軌道、π分子軌道に関与できる2s、2p軌道を両方の原子が持つ。そのため、HFよりも分子軌道エネルギー準位図が複雑になる。

等核二原子分子については既に触れた。今回は分子を構成する原子が異なる元素の場合である。当然、元素が異なれば、持っている原子軌道やエネルギーが異なる。今回は、異核二原子分子の分子軌道がどの様になるのかを、2記事に分けて見ていく。等核との違いは、各原子軌道の寄与が等しくならない点である。

分子軌道を用いて、等核二原子分子の電子配置について考えてみる。もちろん、結合の本数なら原子価結合理論でも考えられる。しかし、分子軌道を使えば、分子の性質をより深く考察することができる。たとえば、酸素分子O2は常磁性を示すことが知られる。なぜ常磁性を示すのかは、分子軌道理論を使用する必要がある。

本来原子軌道の考え方を分子にも拡張することができる。これが分子軌道理論である。分子軌道理論を考えると、分子を形成すると安定なのかを理解することができる。今回は分子軌道の考え方について紹介し、例によって簡単な分子について分子軌道を作ってみる。

化学結合では電子の動きが重要である。イオン結合では電子が出入りすることで電荷ができた。共有結合は文字通り、結合する2原子間の電子の共有である。結合を見るときに注目すべきは、軌道の形である。ここでは原子同士の結合と、分子の形を決める元となる理論について触れていく。

原子は他の原子と結合することで分子を作っている。この化学結合について、どのような種類があるのかについて見ていく。結合を知ると、水溶性や結合の強さなどといった化学的性質の理解につながる。イオン結合：陽イオンと陰イオンの静電的な結合　共有結合：文字通り、二原子間で電子を共有　配位結合：共有結合の特別なケース

水などの簡単な分子に関しては、分子の形は折れ線型と覚えている人も多いだろう。しかし、多くの分子は分子式を見ただけでは、形を推測することはできない。分子の形を決める要因となる価電子から、分子の構造を簡単に推定することのできるモデルがVSEPRモデルである。

有効核電荷は、電子を引きつける強さに関連するパラメータである。この有効核電荷と電子の引っ張り合いがわかるパラメータとして原子半径とイオン化エネルギーがある。まずこれら定義や周期表内での傾向について紹介していく。

前回から多電子原子の電子配置について見ている。第2周期までの元素についてまでしか取り上げていなかった。これは第3周期(3p軌道が閉殻になる)までは同じように説明できる。 問題は第4周期からになる。ここから少しふるまいが違ってくる。

第2周期からの電子の入り方について見ていく。主量子数に関して、3番目の電子から、すぐ上の電子殻(n=2)の軌道を占めなければならない。ここで問題になるのは、第3の電子が占めるのは2sなのかそれとも3個の2pのうちのどれなのか？である。

電子のエネルギーや角運動量を決める5つの量子数について整理した。では、実際に電子はどういう順番で埋まっていくかについて考える。初めに簡単なところからで、第一周期元素である水素とヘリウムを取り上げる。電子配置を考える上で、避けては通れない法則がある。 それが、パウリの排他原理である。

最近は無機化学、特に原子と分子の化学結合を復習しています。やはり化学反応を考えていく上で、結合の話は避けては通れないでしょう。電子は、原子核の周りの空間を占めている。よく原子核の周りを回っている絵を目にするが、厳密には正しくない。難しい言い方になるが、あくまで存在確率を規定しているに過ぎない。