Q&A補足：炭素分子

補足：炭素分子

Q&A:

炭素原子とメタン：CH₄

　炭素：C(原子番号6)の電子配置は以下の通りです。(基底状態)。

　

(1s²) (2s²、 2p_x¹、 2p_y¹、 2p_z⁰）

*x,y,zは任意です。

　表にすると

殻

軌道

電子数

L殻

K殻

	スピンペア
	不対電子

もっとも簡単な分子、メタン：CH₄を例とします。メタンは都市ガスや天然ガスの主成分で、炭素と水素4個との共有結合です。軌道モデルと電子配置から、以下のように考えます。

sp3混成軌道：Hybridization

　表の外殻軌道電子、(2s)、(2p)の計4電子は、それぞれ水素と共有結合をつくり、均等な共有電子対を4本つくります。電子対は、相互の反発が最小となるような配置(VSEPR則)をとり、以下のように求められます。


			c=1/2(s+px+py+pz) c=1/2(s+px-py-pz) c=1/2(s-px-py+pz) c=1/2(s-px+py-pz)
			結果は、正六面体(立方体)の中心に位置する原子核から、立方体頂点のうち4点へ向う分布です（上右図）。ここから原子核と電子対を取り出して見ると正四面体で、これが炭素分子の基本形です(左図)。 *・VSEPR:* Valence Shell Electron Pair Repulsion. 殻電子対反発則。電子対相互の反発を最小とする配置のルールです。下の表から、4電子対のメタンは正四面体となることが分ります。エタンやプロパン、脂肪酸の炭化水素鎖も同様です。混成軌道や*VSEPR* は炭素以外の分子にも適用されます。

電子対	配置
2	直線：180°
3	平面三角形：:120°
4	正四面体：109°
5	6面体
6	8面体

C₂H₆：エタン

C₃H₈：プロパン

VSEPR 軌道配置

C=C二重結合:sp2混成

　σ結合が3本のとき、VSEPR:により平面三角形になります[下左]。
　残る2p電子1個は、結合面と直交するｐ軌道にありπ電子と呼ばれます。 C₂H₄：エチレン分子はこの形の炭素２個で構成され、結合軸上のσ結合とπ電子がつくるπ結合の2重結合です。



	３電子対平面三角形とｐ軌道		C₂H₄：エチレン

π結合の性質

分子の骨格を造るのはσ結合です（図中の棒）。電子はその軸方向、原子核の間に分布しています(局在化)。
　直交するπ電子には方向性がなく、その軌道は分子全体に広がります(非局在的)。広く影響を受けやすいうえに結合エネルギーも低いので、容易に反応します。このため、ひとつでもπ電子を持つ分子の性質はπ電子が支配的です。油脂が飽和脂肪酸と不飽和脂肪酸に分かれるのも、これが原因です。
　その他、分子形状などは、

　こちらをご覧ください。

ペンタジエンとラジカル反応

図は代表的な多価不飽和脂肪酸、リノール酸の二重結合の部分です。(

リノール酸の図 C9からC13まで)。
　二重結合の炭素4個の軌道はπ電子をもつ平面三角形で、中央の炭素だけ正四面体軌道です。この構造をペンタジエン構造と呼びます。植物の脂質生成で形成されるもので、2価以上の不飽和脂肪酸すべてに共通です。[

植物の脂質生成]
　

中央の-CH₂-を活性メチレンと呼び、光や熱などの刺激で容易にH+プロトンを遊離してラジカル化します。

　残った不対電子・をふくめ、5個の炭素のπ電子は非局在化した共鳴状態となります。これをbisアリルラジカルと呼び、その反応性は普通のメチレン基の数百～数万倍とされます。

酸素が付加してペルオキシラジカル:LOO・を生じ、連鎖的なラジカル反応が始まります。[

脂質とラジカル ]

炭素原子とメタン：CH4

C=C二重結合:sp2混成

π結合の性質

炭素原子とメタン：CH₄