有機化学の部屋

アルカンの炭素〜ｓｐ³混成軌道〜

　　１．アルカンの炭素

　　なぜメタンは正四面体形をしているのでしょうか？
　　メタンに限らず、アルカンを構成する炭素原子の結合の腕は、互いに約109.5°の結合角を成しており、正四面体に近い形になっています。これは、アルカンの炭素原子における４つの電子が、ｓｐ³混成軌道と呼ばれるエネルギーの等しい軌道に収容されており、互いに最も反発しあって正四面体の各頂点に位置しようとするためです。
　　以下で詳しく見ていきましょう。

　　４．原子の結合

　　原子はなぜ結合するのでしょうか？
　　それは、結合を形成することで、存在するために必要なエネルギーが低くなり、より安定するからです。
　　電子は、電子軌道の中に存在していると書きましたが、実際にはいつもその位置にあるわけではなく、電子軌道のあたりに存在している確立が高いということなのです。電子は、波動関数というものに基づいて波のように運動しており、電子雲と呼ばれるような状態に広がっています。
　　一方、２つの波が合成されることによって、定常波という波ができます。定常波とは、普通の進行する波と違って、全く振動しない節と、激しく振動する腹が交互に配置している波のことです。両端を固定した弦を振動させると、定常波の一種を観察することができます。
　　電子の場合も、電子軌道の中に一つだけ収容されている電子を普通の波であると考えると、電子が一つだけ収容されている軌道同士が結合すると、定常波の場合と同じように、元の電子軌道より高エネルギーの軌道(反結合性軌道)と、低エネルギーの軌道(結合性軌道)が形成されます。このとき、これらの軌道にも２つまでの電子が収容されるため、２つの電子は両方とも結合性軌道に収容されます。その結果、全体で存在するために必要なエネルギーが低くなり、より安定化することができるのです。(図・２上)
　　水素や炭素などの、電子軌道に１つだけ収容されている電子、つまり不対電子を持っている原子は、このようにして結合を形成することで安定化することができます。
　　同様にして、ヘリウムがなぜ結合をつくらず、単原子分子として存在するのかも説明できます。ヘリウムは、１ｓ軌道に２個の電子を持っていますが、この軌道同士が結合した場合、水素などの場合と同様に、反結合性軌道と結合性軌道が形成されます。そこで、結合に使用された４個の電子のうち、２個は結合性軌道に収容されるのですが、別の２個が反結合性軌道に収容されるため、全体として結合しても存在するために必要なエネルギーが低くなりません。（図・２下）よって、ヘリウムは結合によって安定化できないので、単原子分子として存在するのです。

(図・２　結合によるエネルギーの変化)

　　 ５．電子軌道の混成　〜ｓｐ³混成軌道〜

　　炭素原子は、上に示したように、一つの２ｓ軌道に２個の、三つの２ｐ軌道に２個の電子を持っています。しかし、このままでは他の原子と結合を二つしか作れず、オクテットになることができません。仮に二つの原子と共有結合した場合、２ｐ軌道二つを使って結合することになるので、その結合角度は90°となり、より反発力を生じる上に、２ｐ軌道のうち一つは空軌道(電子の全く入っていない軌道)となってしまいます。
　　そこで、炭素原子は、自らの一つの２ｓ軌道と三つの２ｐ軌道を混成(混ぜ合わせて新しい軌道をつくること)させ、新たにｓｐ³混成軌道という四つのエネルギーの等しい軌道を作り上げます。このｓｐ³混成軌道一つの形は(図・３上)のようになっています。これら互いにエネルギーの等しい軌道は、反発しあって(図・３中)に示すような、互いに約109.5°離れた正四面体形の構造をとります。この図において、黒い三角形で表された線は画面の手前を向いており、灰色の三角形で表された線は画面の向こう側を向いています。なお、２ｓ軌道１つ、２ｐ軌道３つから成っているｓｐ³混成軌道は、混成する前の２ｓ軌道の性質を25％、２ｐ軌道の性質を75％持っています。
　　こうして、エネルギーの等しい四つの軌道を手に入れた炭素原子は、他の四つの原子と共有結合をつくり、オクテット則を満たすことができるようになりました。そこに例えば４つの水素が結合すると、メタンＣＨ４ となります。（図・３下）

（図・３　ｓｐ3混成軌道）

コラム：ページの有機化合物 プロパン（propane） ＣＨ３-ＣＨ２-ＣＨ３

系統名：propane 分子式：C３H８ 分子量：44 性状：無色気体 融点：-187.6℃ 沸点：-42.1℃

炭素数が３のアルカン（メタン系炭化水素）に属する。プロパン自体に異性体は存在しないが、置換基としてはそれぞれ１位の水素および２位の水素を置換したプロピル基・イソプロピル基が存在する。 　　天然ガス成分の一つ。1910年、米国鉱山局の化学者ウォルター・Ｏ・スネリングによって、ガソリンの揮発分の中から発見された。 　　常温で無色無臭の気体。（プロパンガス等のガスに特有の臭いがあるのは、強い臭いを持つ有機化合物であるチオールやスルフィドが添加されているためである） 空気に対する比重は約1.5であり、プロパンガスが漏洩すると床面に溜まる。可燃性があり、空気中での爆発限界は体積比で2.2〜9.5％である。次にプロパンの完全燃焼の化学反応式を示す。 　Ｃ３Ｈ８　＋　５Ｏ２　→　３ＣＯ２　＋　４Ｈ２Ｏ 　　酸化されるとプロパノールとなる。 　Ｃ３Ｈ８　＋　Ｈ２Ｏ　→　Ｃ３Ｈ８Ｏ　＋　２Ｈ＋　＋　２ｅ− 　　また、光照射でハロゲン等と置換反応を起こしてハロゲン化プロピルを生成する。次に塩素との置換反応の例を示す。（このとき二種類の異性体が考えられる） 　Ｃ３Ｈ８　＋　Cl２　→　Ｃ３Ｈ７Cl　＋　ＨCl 　　プロパンは天然ガス・石油より得られる。また、分子量のより大きい炭化水素のゼオライト等を触媒に用いたクラッキングによっても得られる。（このとき、反応中間体として生成するカルボカチオン（炭化水素の陽イオン）の安定性より、炭素数が３のプロパン類縁体が最も生成しやすく、それ以下の炭素数の炭化水素は生成しにくい。） 　　液化プロパンガスとしての用途が最も多い。また、冷凍機等の冷媒としても利用されている。