化学結合化学

σおよびπ結合の形成

VB手順の例として、H ₂ Oの構造を検討してください。最初に、酸素原子の価電子殻電子配置は2s ² 2p _x ² 2p _y ¹ 2p _z ¹であり、それぞれに不対電子があることに注意してください。2つの2p軌道

原子のルイス図です。各水素原子には、不対酸素2p電子の1つと対になる不対1s電子（H・）があります。したがって、各水素電子と酸素電子のペアと、それらが占める軌道のオーバーラップによって結合が形成されます。各オーバーラップから生じる電子分布は、それぞれのO-H軸を中心に円筒対称であり、σ結合と呼ばれます。したがって、H ₂ O のVBの説明では、各水素原子は、水素1s電子と酸素2p電子のペアによって形成されるσ結合によって酸素原子にリンクされています。この構造では波動関数を記述できるため、シュレディンガー方程式を解くことによってエネルギーを計算でき、核間距離を変化させ、エネルギーが最小になる距離を特定することによって結合長を決定できます。

用語σ結合は、化学で広く使用されており、酸素-水素結合のような電子分布を表します。具体的には、2つの結合した原子間の線に関して円柱対称性を持つものです。しかしながら、窒素分子、Ｎ_２の構造を考慮することによって理解できるように、それは結合の唯一のタイプではない。各窒素原子は、価電子殻電子配置2s ² 2p _x ¹ 2p _y ¹ 2p _z ^1を持っています。z方向が分子の核間軸に沿っているとすると、2つの2p _z軌道の電子は対になり、重なり合ってσ結合を形成します。ただし、2p _x軌道は頭と頭が重なると間違った方向になり、代わりに左右に重なるようになりました。結果の電子分布は、π結合と呼ばれます。π結合も2つの原子を一緒に保持するのに役立ちますが、オーバーラップによって生成される最大電子密度の領域は核間軸の線から外れているため、σ結合と同じ強さではそうなりません。2pの_y電子は、同じ方法でペアになり、重なり合って、2番目のπ結合を生じさせることができます。したがって、N ₂分子の構造は1つのσ結合と2つのπ結合で構成されます。これがどのように：N≡N：分子のルイス記述に対応し、洗練されているかに注意してください。

要約すると、ルイス構造の単結合はVB理論のσ結合に対応します。二重結合はσ結合とπ結合に対応し、三重結合はσ結合と2つのπ結合に対応します。

電子の促進

原子価結合理論は、CH _4で明らかに困難にぶつかります。炭素の価電子殻電子配置は2s ² 2p _x ¹ 2p _y ¹であり、水素原子への結合は2つしか形成できないことを示唆しています。この場合、炭素の価数は2になります。炭素の通常の価数は4です。しかしながら。この問題は、分子の全体的なエネルギーのみが重要であり、プロセスがエネルギーの低下につながる限り、エネルギーの初期投資が必要な場合でも貢献できることに注意することで解決されます。この場合、VB理論では、電子がより高い軌道に上昇する昇格が発生します。したがって、炭素原子は、CH ₄分子が形成されるときに原子価配置2s ¹ 2p _x ¹ 2p _y ¹ 2p _z ^1に昇格するものと想定されます。昇進はエネルギーを必要としますが、それは4つの結合の形成を可能にし、そして全体的にエネルギーの低下があります。関与するエネルギーはそれほど大きくないため、カーボンはこのプロモーションに特に適しています。したがって、4価の炭素化合物の形成は例外ではなく規則です。

ハイブリダイゼーション

しかし、議論はまだ完全ではありません。この炭素の説明を額面通りに取れば、メタンの3つのCH結合は炭素2p軌道から形成され、1つは炭素2s軌道から形成されるように見えます。しかし、実験的には、メタンの4つの結合がすべて同じであることが十分に確立されています。

量子力学的考察は、ハイブリダイゼーションを呼び出すことによってこのジレンマを解決します。ハイブリダイゼーションは、同じ原子上の原子軌道の混合です。炭素原子の2sおよび3p 2p軌道が混成すると、それらは、正四面体の4つのコーナーに向かう方向とは異なり、互いに等しい4つのローブ状のsp ³混成軌道を生じます。各ハイブリッド軌道には不対電子が含まれており、水素原子の1s電子と対になってσ結合を形成できます。したがって、メタンのVB構造は、水素原子のs軌道と炭素原子のsp ³ハイブリッド軌道のオーバーラップによって形成される4つの等価なσ結合で構成されると説明されています。

ハイブリダイゼーションは、化学の言語に対するVB理論の主要な貢献です。エチレンの構造は、ハイブリダイゼーションの使用を説明するためにVB用語で調べることができます。前に示したルイス構造を再現するには、2つの炭素原子間に二重結合（つまり、σ結合とπ結合）を作成する必要があります。そのような結合パターンは、電子が促進された炭素2s軌道と、その2p軌道の2つをハイブリダイゼーション用に選択することで実現できます。1つの2s軌道と2つの2p軌道が混成されると、それらはsp ²混成軌道を形成します。これらの軌道は、正三角形の角を指すローブ状の境界面を持っています。ハイブリダイズされていない2p軌道は、三角形の平面に垂直です（図11）。各軌道には単一の電子が含まれています。ハイブリッドの2つは2つの水素原子にσ結合を形成でき、ハイブリッドの1つは他の炭素原子（同様のハイブリッド形成を受けた）にσ結合を形成できます。ハイブリダイズされていない2p軌道は隣り合っており、重なり合ってπ結合を形成できます。

この説明は、ルイスの説明に準拠しています。また、エチレンが平面分子である理由も自然に説明されます。分子の一方の端をもう一方の端に対してねじると、2p軌道間の重なりが減少し、π結合が弱くなるためです。すべての二重結合は、それらが存在する分子の部分にねじれ剛性（ねじれに対する抵抗）を与えます。