第8章共有結合の理論
8.3 Multiple Bonds8.3 多重結合
Learning Objectives学習目標
By the end of this section, you will be able to:
この節を学ぶと、次のことができるようになる。
- Describe multiple covalent bonding in terms of atomic orbital overlap共有多重結合を、原子軌道の重なりによって説明する
- Relate the concept of resonance to π-bonding and electron delocalization共鳴の概念を、π結合と電子の非局在化に関連付ける
The hybrid orbital model appears to account well for the geometry of molecules involving single covalent bonds. Is it also capable of describing molecules containing double and triple bonds? We have already discussed that multiple bonds consist of σ and π bonds. Next we can consider how we visualize these components and how they relate to hybrid orbitals. The Lewis structure of ethene, C2H4, shows us that each carbon atom is surrounded by one other carbon atom and two hydrogen atoms.
英語のヒント
混成軌道モデルは、共有単結合を含む分子の幾何学的配置をうまく説明できるように見える。二重結合や三重結合を含む分子も記述できるだろうか。多重結合がσ結合とπ結合からなることは、すでに述べた。次に、これらの成分をどのようにイメージできるか、またそれらが混成軌道とどのように関係するかを考えよう。エテンC2H4のルイス構造から、各炭素原子は別の炭素原子一つと、水素原子二つに囲まれていることがわかる。
The three bonding regions form a trigonal planar electron-pair geometry. Thus we expect the σ bonds from each carbon atom are formed using a set of sp2 hybrid orbitals that result from hybridization of two of the 2p orbitals and the 2s orbital (Figure 8.22). These orbitals form the C–H single bonds and the σ bond in the double bond (Figure 8.23). The π bond in the double bond results from the overlap of the third (remaining) 2p orbital on each carbon atom that is not involved in hybridization. This unhybridized p orbital (lobes shown in red and blue in Figure 8.23) is perpendicular to the plane of the sp2 hybrid orbitals. Thus the unhybridized 2p orbitals overlap in a side-by-side fashion, above and below the internuclear axis (Figure 8.23) and form a π bond.
Figure 8.22図 8.22
In ethene, each carbon atom is sp2 hybridized, and the sp2 orbitals and the p orbital are singly occupied. The hybrid orbitals overlap to form σ bonds, while the p orbitals on each carbon atom overlap to form a π bond.
エテンでは、各炭素原子はsp2混成し、sp2軌道とp軌道には電子が1個ずつ入っている。混成軌道は重なってσ結合を形成し、各炭素原子のp軌道は重なってπ結合を形成する。
Figure 8.23図 8.23
In the ethene molecule, C2H4, there are (a) five σ bonds. One C–C σ bond results from overlap of sp2 hybrid orbitals on the carbon atom with one sp2 hybrid orbital on the other carbon atom. Four C–H bonds result from the overlap between the C atoms' sp2 orbitals with s orbitals on the hydrogen atoms. (b) The π bond is formed by the side-by-side overlap of the two unhybridized p orbitals in the two carbon atoms. The two lobes of the π bond are above and below the plane of the σ system.
エテン分子C2H4,には、(a)五つのσ結合がある。一方の炭素原子のsp2混成軌道と他方の炭素原子の一つのsp2混成軌道が重なり、一つのC–C σ結合が生じる。炭素原子のsp2軌道と水素原子のs軌道との重なりから、四つのC–H結合が生じる。(b)π結合は、二つの炭素原子の混成していない二つのp軌道が横に並んで重なることで形成される。π結合の二つのローブは、σ結合系の平面の上と下に位置する。
In an ethene molecule, the four hydrogen atoms and the two carbon atoms are all in the same plane. If the two planes of sp2 hybrid orbitals tilted relative to each other, the p orbitals would not be oriented to overlap efficiently to create the π bond. The planar configuration for the ethene molecule occurs because it is the most stable bonding arrangement. This is a significant difference between σ and π bonds; rotation around single (σ) bonds occurs easily because the end-to-end orbital overlap does not depend on the relative orientation of the orbitals on each atom in the bond. In other words, rotation around the internuclear axis does not change the extent to which the σ bonding orbitals overlap because the bonding electron density is symmetric about the axis. Rotation about the internuclear axis is much more difficult for multiple bonds since this would drastically decrease the off-axis overlap of the π bonding orbitals, essentially breaking the π bond.
英語のヒント
エテン分子では、四つの水素原子と二つの炭素原子はすべて同一平面上にある。二つのsp2混成軌道の平面が互いに傾くと、p軌道はπ結合を作るために効率よく重なれる向きではなくなる。エテン分子が平面構造をとるのは、それが最も安定な結合の配置だからである。これはσ結合とπ結合の重要な違いである。単結合(σ結合)の周りでは容易に回転が起こる。軌道の端どうしの重なりは、結合している各原子の軌道の相対的な向きに依存しないからである。言い換えると、結合電子密度は軸に対して対称なので、原子核を結ぶ軸の周りで回転しても、σ結合軌道の重なりの程度は変わらない。多重結合では、原子核を結ぶ軸の周りの回転はずっと困難である。回転によってπ結合軌道の軸から外れた部分での重なりが激減し、実質的にπ結合が切断されるためである。
In molecules with sp hybrid orbitals, two unhybridized p orbitals remain on the atom (Figure 8.24). We find this situation in acetylene, which is a linear molecule. The sp hybrid orbitals of the two carbon atoms overlap end to end to form a σ bond between the carbon atoms (Figure 8.25). The remaining sp orbitals form σ bonds with hydrogen atoms. The two unhybridized p orbitals per carbon are positioned such that they overlap side by side and, hence, form two π bonds. The two carbon atoms of acetylene are thus bound together by one σ bond and two π bonds, giving a triple bond.
英語のヒント
Figure 8.24図 8.24
Diagram of the two linear sp hybrid orbitals of a carbon atom, which lie in a straight line, and the two unhybridized p orbitals at perpendicular angles.
炭素原子の二つのsp混成軌道が一直線上に並ぶ様子と、直角をなす二つの混成していないp軌道を示した図。
Figure 8.25図 8.25
(a) In the acetylene molecule, C2H2, there are two C–H σ bonds and a triple bond involving one C–C σ bond and two C–C π bonds. The dashed lines, each connecting two lobes, indicate the side-by-side overlap of the four unhybridized p orbitals. (b) This shows the overall outline of the bonds in C2H2. The two lobes of each of the π bonds are positioned across from each other around the line of the C–C σ bond.
(a)アセチレン分子C2H2,には、二つのC–H σ結合と、一つのC–C σ結合および二つのC–C π結合からなる三重結合がある。それぞれ二つのローブを結ぶ破線は、四つの混成していないp軌道の横並びの重なりを示す。(b)C2H2の結合の全体的な輪郭を示す。各π結合の二つのローブは、C–C σ結合の線を挟んで向かい合っている。
Hybridization involves only σ bonds, lone pairs of electrons, and single unpaired electrons (radicals). Structures that account for these features describe the correct hybridization of the atoms. However, many structures also include resonance forms. Remember that resonance forms occur when various arrangements of π bonds are possible. Since the arrangement of π bonds involves only the unhybridized orbitals, resonance does not influence the assignment of hybridization.
英語のヒント
混成に関与するのはσ結合、非共有電子対、単独の不対電子(ラジカル)だけである。これらの特徴を考慮した構造により、原子の正しい混成を記述できる。しかし、多くの構造には共鳴構造も含まれる。共鳴構造は、π結合をさまざまに配置できるときに生じることを思い出そう。π結合の配置に関わるのは混成していない軌道だけなので、共鳴は混成の割り当てに影響しない。
For example, molecule benzene has two resonance forms (Figure 8.26). We can use either of these forms to determine that each of the carbon atoms is bonded to three other atoms with no lone pairs, so the correct hybridization is sp2. The electrons in the unhybridized p orbitals form π bonds. Neither resonance structure completely describes the electrons in the π bonds. They are not located in one position or the other, but in reality are delocalized throughout the ring. Valence bond theory does not easily address delocalization. Bonding in molecules with resonance forms is better described by molecular orbital theory. (See the next module.)
英語のヒント
たとえばベンゼン分子には二つの共鳴構造がある(図8.26)。どちらの構造を使っても、各炭素原子が非共有電子対をもたず、他の三原子に結合しているとわかるため、正しい混成はsp2である。混成していないp軌道の電子はπ結合を形成する。どちらの共鳴構造も、π結合の電子を完全には記述していない。電子は一方か他方の位置に局在するのではなく、実際には環全体に非局在化している。原子価結合理論では非局在化を扱いにくい。共鳴構造をもつ分子の結合は、分子軌道理論でより適切に記述できる。(次の節を参照。)
Figure 8.26図 8.26
Each carbon atom in benzene, C6H6, is sp2 hybridized, independently of which resonance form is considered. The electrons in the π bonds are not located in one set of p orbitals or the other, but rather delocalized throughout the molecule.
ベンゼンC6H6の各炭素原子は、どちらの共鳴構造を考えるかにかかわらず、sp2混成している。π結合の電子は、一方のp軌道の組か他方の組に局在するのではなく、分子全体に非局在化している。
Example 8.4例題 8.4
Assignment of Hybridization Involving Resonance共鳴を含む場合の混成の割り当て
Some acid rain results from the reaction of sulfur dioxide with atmospheric water vapor, followed by the formation of sulfuric acid. Sulfur dioxide, SO2, is a major component of volcanic gases as well as a product of the combustion of sulfur-containing coal. What is the hybridization of the S atom in SO2?
英語のヒント
酸性雨の一部は、二酸化硫黄と大気中の水蒸気との反応、それに続く硫酸の生成によって生じる。二酸化硫黄SO2は、火山ガスの主要成分であると同時に、硫黄を含む石炭の燃焼生成物でもある。SO2のS原子は、どのような混成をしているか。
Solution解法
The resonance structures of SO2 are
SO2の共鳴構造は次のとおりである。
The sulfur atom is surrounded by two bonds and one lone pair of electrons in either resonance structure. Therefore, the electron-pair geometry is trigonal planar, and the hybridization of the sulfur atom is sp2.
どちらの共鳴構造でも、硫黄原子は二つの結合と一つの非共有電子対に囲まれている。したがって、電子対の配置は平面三角形で、硫黄原子はsp2混成している。
Check Your Learning理解を確かめよう
Another acid in acid rain is nitric acid, HNO3, which is produced by the reaction of nitrogen dioxide, NO2, with atmospheric water vapor. What is the hybridization of the nitrogen atom in NO2? (Note: the lone electron on nitrogen occupies a hybridized orbital just as a lone pair would.)
酸性雨に含まれる別の酸は硝酸HNO3であり、二酸化窒素NO2と大気中の水蒸気との反応によって生成される。NO2の窒素原子は、どのような混成をしているか。(注意:窒素の単独の電子は、非共有電子対と同様に混成軌道を占有する。)






