Hybridization of Atomic Orbitals

We can use Lewis dot structures to determine the bonding patterns in molecules.原子軌道の混成は、分子の結合パターンを決定するために使用されます。 次に VSEPR を使って、ルイス構造の価電子対から分子形状を予測することができる。 分子の形がわかったら、化合物の物理的な性質を調べ始めることができます。 例えば、どの分子が極性を持つかを予測することができるようになります。 極性は、分子内に電荷の分離があるときに存在します。 これは、結合した原子間の電気陰性度の違いにより、分子内の極性結合から生じます。 例えば、HFは極性化合物である。 フッ素は水素よりもはるかに電気陰性度が高く、共有の結合電子のペアは、H原子核の近くよりもF原子核の近くでより多くの時間を過ごすことになる。

双極子モーメント（電荷のアンバランス）の方向は、通常、HFについて以下に示すように、矢印があることで示されます。 異なる電気陰性度の原子を含む二原子分子はすべて極性分子になる。 このことは、分子の物理的性質（融点、沸点、溶解度など）に影響を与える。

より大きな分子（2個以上の原子）では、極性結合の存在と分子形状によって化合物全体の極性が決定される。

例えば、二酸化炭素のCO2と二酸化硫黄のSO2を比較することができる。

炭素と硫黄の電気陰性度は同じで、酸素よりはるかに低い。 したがって、どちらの化合物でも結合は等しく極性を持つことになる。 しかし、両者は非常に異なった物理的性質を持っており、CO2は-78℃で沸騰し、SO2は+22.8℃で沸騰する、100倍の差がある。 これは、各分子の2つの極性結合の存在だけでなく、morethanに依存する必要があります。 この違いを生むのは、分子の形である。

CO2 は、中心の炭素原子に電子対が2つしかないので、直鎖状の分子となります。 下図のような形になります。

矢印で示したように、この分子には非常に極性の高い結合が2つ存在します。 しかし、CO2の分子形状のために、それらは反対方向を向いており、相殺されます。 CO2はその分子形状から、非極性化合物である。

以下はSO2分子の形状です。 硫黄には3つの価電子対があり、2つの結合対と1つの孤立対があるので、分子形状は三角形になる。 このため、曲がった分子形状になります。 この分子では、双極子は反対方向を向いておらず、相殺されることはない。 実際、双極子モーメントが加算され、正味の双極子モーメントを与えることになります。 SO2は極性化合物であり、これが沸点の上昇を説明する。

（クイズ BF3(-99) と NH3(-33)

別の例として、CHCl3とCCl4の物性を比較すると分子形の重要さがわかるだろう。 CHCl3は水に溶けますが、CCl4は水に溶けません。 なぜでしょうか？

どちらも四面体で、それぞれのCに4価の電子対があります。

CHCl3分子では、3つの極性C-Cl結合が付加（ベクトル加算）して、分子に正味の双極子モーメントを与える。 CCl4では、4つの極性C-Cl結合が打ち消され、これは非極性分子となる。 水は極性溶媒であり、他の極性種としか相互作用しない、「同類が同類を溶かす」。

Valence Bond Theory

VSEPRを使って、分子の幾何学的形状と物理的性質を予測することができる。 このモデルで説明できないのは、化学結合の性質、つまり分子の化学的性質です。 ルイス理論は、原子が電子対を共有することによって化学結合が形成されると提唱した。 価電子結合理論では、結合種の軌道が合体（オーバーラップ）して原子間の電子密度が集中し、化学結合が形成されると説明されています。 H2 の場合、1 個の電子を含む 1s 軌道が重なり合って H-Hbond を形成します。

ここでメタン（CH4）を考えてみましょう。

VSEPR は中心原子に結合する 4 つの原子から四面体形状を予測します。

水素原子の電子配置は 1s1、

炭素原子は 2s2 2p2、

それぞれの水素原子が C-H 結合に 1 つの電子を提供できる。 しかし、炭素原子には不対電子を持つp軌道が2つしかなく、4つの等価なC-H結合を形成する必要がある。 そこで、2s軌道と3p軌道の原子波動関数Yを数学的に混合し、新しい分子波動関数と分子軌道を与えることで、炭素に4つの等価な結合軌道を作る。 1つの軌道と3つの軌道を混ぜ合わせると、sp3軌道と呼ばれる4つの混成軌道ができる。 この新しい分子軌道の形と方向は以下の通りである。

分子であること。 sp3軌道は四面体に配置され、結合角は109.5o. Hの1s軌道はこのハイブリッド軌道の1つと重なり、メタンCH4の予測される四面体形状と形状を与える。

ハイブリッド化すると、4つの軌道はすべて同じエネルギーを持ち、p軌道より低く、s軌道より高くなります。 炭素の4つの価電子はエネルギーダイアグラム( )に加えることができる。 水素はそれぞれ1s軌道に1個の価電子を持つ( )。 これらは炭素の電子と対になって4つのs(σ)結合を形成する。 水素のs軌道と炭素のsp3軌道が重なることで、電子密度が原子核の間に直接置かれるため、これらはs軌道から生じる混成軌道から形成されるのでシグマ結合（ギリシャ語のfors）と呼ばれます。 これはs-結合の性質である。

次にアンモニア(NH3)の結合を見ます。

VSEPRは四面体形状（1つの孤立電子と3つの結合電子）と三角ピラミッド形状を予測します。 窒素のs原子軌道1個とp原子軌道3個を混合して得られる4つのハイブリッド軌道が再び必要になります。 窒素の価電子は5個（ ）である。

不対電子1個の水素原子3個（ ）は、その1s軌道と窒素上の3個のsp3軌道が重なります。 これにより、3つのsbondが形成され、1個の電子が4番目のハイブリッド分子軌道を占めることになる。

次にSF4について考えてみましょう。

VSEPRは三角錐の形状（1つの孤立ペアと4つの結合ペア）と鋸歯状（sawshape）を予測しています。 5つのハイブリッド軌道を持つためには、硫黄の5つの原子軌道を混ぜる必要がある。 砂のp軌道は合計4つの混成軌道（1つのs + 3p）しかないので、ここで1つの軌道をミックスに加えることにします。 硫黄は第3周期（n = 3）なので、5つのd軌道を持つことになる。 d軌道の1つと他の4つの原子軌道（sと3つのp）を混ぜると、dsp3という混成軌道になり、5つの等価な分子軌道が得られる。

フッ素原子はsp3混成（3つの単独ペアと1つの結合ペア）しており、フッ素の各sp3軌道と硫黄のdsp3軌道の重なりでsbondが形成される。

SF6のように6つの等価分子軌道を必要とする化合物は、s+p+ p+ p+ d+ dの6つの原子軌道を混ぜます。これらはd2sp3混成で6つのsbondを形成します。

VSEPR はこの化合物が三角形の平面形状を持つことを予測しています。 つまり、等価な分子軌道が3つ存在するはずである。

3つのp原子軌道のうち2つとs原子軌道を混合したので、混合軌道をsp2軌道と呼ぶことにする。 sp2軌道は予測された三角形の平面形状をしている。 軌道の1つは混成の際に変化しておらず、混成軌道よりも高いエネルギーレベルを持っていることに注意。

これで炭素から4個の価電子を取り込めました。

HとOから電子を得て4結合を作れば良いのです。 3つの結合はエネルギー的に等しくなるが、4つ目の結合は異なる。 それは混成軌道（sbond）ではなく、混成していないp軌道の重なりによって形成されます。 これはp結合（piはギリシャ語でpの意味）と呼ばれる。

ホルムアルデヒドのルイス構造を見ると、酸素は2つのローンペアと中心炭素との結合を持っています。

混成軌道の電子配置から、軌道のうち2つの軌道は単独電子で占有し、3番目のsp2軌道は炭素とのs結合を形成しているとわかります。 ハイブリッド化されていないCとOwのp軌道はpbondを形成する。

図中の結合はカラーコード化されています。 赤い結合はs結合で、共有電子が原子の間に直接保持されている。 青い結合はp結合で、CとOのハイブリッド化されたp軌道が左右に重なって形成されている。 これらの電子は、結合した原子の間に直接保持されていない。 このため、電子は結合軸の上下にある電子密度の低い雲の中に保持されている。 このため、pbondはs bondよりも弱く、ポテンシャルエネルギーも高いため、不安定な結合となる。 二重結合は、1つのs結合と1つのp結合で構成されている。

VSEPRは、ホルムアルデヒドが120の結合角を持つ三角形の平面化合物であることを予測した。 sp2混成の分子は120の結合角を持つ。 ホルムアルデヒドの構造を以下に示します。

酸素の電気陰性度とホルムアルデヒドの分子形から極性化合物であることがわかります。

二酸化炭素のルイス構造を以下に示しますが、やはり結合が色分けされています。

各原子は八重の電子を持っている。 炭素は酸素原子と2個のsおよび2個のp結合をしている。 s結合が2つあるのは、等価な分子軌道が2つ形成されていることを示します。 2つのハイブリッド分子軌道を形成するには、2つの原子軌道、ソリビタルとp軌道を混ぜる必要があります。 このようにしてできたハイブリッド軌道をスフィブリッドと呼びます。 これらの間の角度は180度で、VESPRで予測されたようにCO2が直線的な分子となる。

CO2中の炭素のエネルギーダイアグラムは以下の通りです。 各酸素は2つの対を持ち、1つのs結合と1つのp結合を形成しています。 つまり、p結合を作るには3つの混成軌道と1つの非混成p軌道が必要です。 これがsp2混成である。

中心原子の周りに8個以上の電子を持つ分子を考える場合、d軌道が必要になる。 この例としてPCl5がある。

VSEPRは中心原子の周りに5つの基があるので、三角錐の両錐形状を予測する。 5つの分子軌道を持つためには、1つのs + 3つのp + 1つのdの5つの原子軌道を混合する必要があります。 これらの軌道の形と向きをPCl5

最後に、中心原子の周りに6つの軌道を持つ分子について説明します。 例としてSF6があり、そのルイス構造は次のようになる。

6個の分子軌道が必要なので、1個のS+3個のP+2個のDの6個の原子軌道を混ぜ、d2sp3の混成と八面体形状を与える。