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HO C HO O

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【問題の解と解説】H23.07.06
問 1 a:誤,b:誤,c:正,d:誤,e:誤,f:正,g:正,h:正,i:正,j:誤,k:誤,
l:誤,m:正,n:誤
問2
bとd
問3
N 原子の価電子の電子配置は 2s22p3 であるが,NH4+の N では電子が1個欠けている
ので,電子配置は 2s22p2 である。これは C 原子の電子配置と同じである。したがって,
NH4+の立体構造はメタン CH4 の立体構造と同じで,正四面体となる。
問4
CO2 は直線分子であるから,中央の C 原子は sp 混成によってσ結合の骨格を形成し
ていると考えられる。残りの2つの p 軌道は互いに直交している(分子軸を x 軸方向
とすると,2つの p 軌道は y 軸方向と z 軸方向に広がっている)。これらの p 軌道は
それぞれ左右の O 原子上の p 軌道とπ結合を形成しているが,互いに直交して y 軸方
向と z 軸方向に広がっている。
[C 原子][He] ⇅ ↑ ↑
2s
2p
問5
[O 原子][He] ⇅ ⇅ ↑ ↑
2s
2p
⇩昇位
⇩昇位
↑ ↑
↑ ↑
sp 混成軌道
⇅ ⇅ ↑
sp2 混成
↑
H2CO3 は H+と CO32−が結合した分子である。
C 原子は sp2 混成軌道によって3つの O 原子と結合し,平面三角形となり,∠OCO は
それぞれ 120°である。H-O-C 結合の O 原子は sp3 混成軌道で,H−O と O−C のσ結
合を形成する。一方,-C=O の O 原子は sp2 混成軌道によって,σ結合およびπ結合を
形成している。
σ結合と
π結合
HO
σ結合
C
HO
1
O
問6
ホウ素 B の電子配置は 1s22s2p1 である。B 原子の価電子の電子配置が 2s22p1 のままで
あれば,2s 電子はスピンが対になった非共有電子対で,水素との化合物は BH となる
はずである。BH3 となるには,B 原子の 2s 電子が1個 2p 軌道に昇位して sp2 混成軌道
を形成しなければならない。よって,BH3 の立体構造は平面三角形で,∠HBH は全て
120°,B-H の結合は全てσ結合である。
H
H
B
H
問7
P 原子の価電子の電子配置は 3s23p3 で,基底状態では 3p 軌道電子 3 個が不対電子と
なっている。一方,Cl 原子の価電子の電子配置は 3s23p5 で 3p 軌道電子1個が不対電
子となっている。このままで,P 原子の 3p 軌道不対電子3個が Cl 原子の 3p 軌道不対
電子と共有結合を形成すると PCl3 となる。PCl3 の立体構造は AX3E 型,アンモニアと
類似のピラミッド形と考えられる。また,sp3 混成軌道を形成しても孤立電子対を含ん
だ形で正四面体となり,PCl3 分子はピラミッド形を形成する。P-Cl 結合はいずれもσ
結合,結合角は 109.5°と推定される。
P 原子:[Ne] ⇅ ↑ ↑ ↑
3s
3p
Cl 原子:[Ne] ⇅ ⇅ ⇅ ↑
3s
3p
⇩昇位
⇅ ↑ ↑ ↑
sp3 混成軌道
PCl5 となるためには,3s 軌道電子がスピン対を解除しなければならない。第 3 周期
の原子では 3d 軌道が空いており,PCl5 の P 原子の電子配置は次のようになる。
P 原子:[Ne] ⇅ ↑ ↑ ↑
3s
3p
3d
⇩昇位
↑ ↑ ↑ ↑ ↑
sp3d 混成軌道
sp3d 混成軌道は三角両錐体であるから,PCl5 の立体構造は下図の様になる。P-Cl 結合
はいずれもσ結合である。
2
問8
SO2 のルイス構造は右図の様に表される。
O
S
O
S 原子の電子配置は,[Ne] 3s23p4 で,3p 軌道に2つの不対電子をもつ。同様に,O 原子
の電子配置は [He] 2s22p4 で,p 軌道に2つの不対電子をもつ。そのため,S 原子が2個
の O 原子と結合するのに4つの不対電子が必要となる。3p 軌道のスピン対を解除して,
3d 軌道に昇位させると,
S 原子 [Ne] ⇅ ⇅ ↑ ↑
3s
3p
⇩昇位
↑⇓ ↑⇓
⇅ ↑↓ ↑↓
sp2 混成軌道
3p
3d
↓:O 原子からの電子→σ結合の形成
⇓ :O 原子からの電子→π結合の形成
各 O 原子の価電子の1つは S 原子の sp2 混成軌道の電子とσ結合を形成し,もう1つは
混成軌道から外れた電子とπ結合を形成する。
O 原子
[He] ⇅ ⇅ ↑ ↑
2s
2p
⇩昇位
↑⇓
2p
⇅ ⇅ ↑↓
2
sp 混成軌道
↓:S 原子からの電子→σ結合の形成
⇓ :S 原子からの電子→π結合の形成
つまり,S 原子の sp2 混成軌道により平面三角形となるため,SO2 は AX2E 型の水分子
と類似の非線形構造となる。S-O はそれぞれ2重結合(σ結合とπ結合),∠OSO は
120°となる。S 原子は1つの非共有電子対,O 原子はそれぞれ2つの非共有電子対を
もつ。
S
S
O
O
O
3
O
問9
O
リン酸 H3PO4 のルイス構造式を最初に描いてみよう。
2
3
P 原子の電子配置は [Ne] 3s 3p で,価電子は昇位して
H O P O H
3
sp 混成軌道となり,4個の O 原子から不対電子を受け入れ,σ結
O
合を形成する。
H
[P 原子]
↑⇩
3d
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
3s
3p
3
sp 混成軌道
↓:O 原子からの電子→σ結合の形成
⇩:O 原子からの電子→π結合の形成
O 原子の電子配置は [He] 2s2 2p4 で,2p 軌道に2つの不対電子をもつ。
P−O−H の O 原子の価電子は,昇位して sp3 混成軌道となり,P 原子の sp3 混成軌道
の電子および H 原子の 1s 軌道電子とσ結合を形成する。
[O 原子] ⇅ ⇅ ↑↓ ↑⇩
2s
2p
↓:P 原子からの電子→σ結合の形成
sp3 混成軌道
⇩:H 原子からの電子→σ結合の形成
P→O の O 原子の価電子は,昇位して sp2 混成軌道となり,P 原子の電子とσ結合お
よびπ結合を形成する。
O
[O 原子]
↑⇩
----π結合
2p
⇅ ⇅ ↑↓
----σ結合
sp2 混成軌道
P
つまり,P 原子の sp3 混成軌道により四面体となるため,H3PO4
の立体構造は AX4 型で CH4 分子と類似の構造となる。
問 10 B 原子の電子配置は [He]2s22p1 で,sp2 混成軌道をとることか
ら,BF3 は平面三角形である。N 原子の電子配置は [He]2s22p4 で,
sp3 混成軌道によって NH3 はピラミッド形である。各分子のルイ
ス構造式は右図に示す。
B 原子の空の 2p 軌道と N 原子の 2p 軌道の非共有電子対が配位
結合をする。その結果,B 原子も N 原子も4対の電子をもち,CH4
と同じように sp3 混成軌道を形成すると考えられる。実際,付加化
合物 BF3-NH3 はエタン CH3-CH3 と同じ立体構造をしている。
4
HO
OH
OH
F
H
F
H
B
N
F
H
H
H
B
N
H
H
H
H
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