ライター／Naohiro
国立大学の理系出身。環境科学について学んだ後技術者として化学に携わってきた知識と経験をもとに、分かりやすい解説を心掛けている。
image by iStockphoto
混成軌道の話に入る前に電子軌道について理解する必要がありますので、解説をすることにしましょう。電子軌道とは「ある一定のエネルギー準位をもつ電子が存在する可能性のある範囲を現わしたもの」になります。「軌道」というと電子が一定の動きをしているような感じを受けますが、実際にはぼやっとした「電子雲（でんしうん）」の中に電子が確率的に存在しているというのが正しいイメージです。
これは電子が粒子と波動の二重性をもつことによります。これは電子軌道について解説していく上で前提となる話ですので、頭の片隅に置いておいてくださいね。
こちらの記事もおすすめ
化学の基礎中の基礎！原子と分子の違いを共有結合や電子との関係とともに化学オタクがわかりやすく紹介
Brighterorange - Created by Brighterorange, based on GFDL/cc image: Bohratommodel.png., CC 表示-継承 3.0, リンクによる
高校化学で学ぶボーアの原子模型。ニールス・ボーア（Niels Henrik David Bohr、1885-1962）が1913年に確立したモデルですが、実はこのモデルにはまだ問題がありました。これは電磁気学上電荷をもった粒子が円運動を行う際電磁波（エネルギー）を放出するため、最終的に電子は円運動を維持できなくなり原子核と衝突してしまいます。
それを解消したのが前述したような、オーストリア人理論物理学者シュレーディンガー（Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger、1887-1961）による波動関数とドイツ人理論物理学者マックス・ボルン（Max Born、1882-1970）による確率解釈の考え方です。
こちらの記事もおすすめ
電磁気学のすべてが詰まった「マクスウェルの方程式」を元理系大学教員が分かりやすくわかりやすく解説
それでは早速ですが電子軌道に関する概要を説明していきましょう。高校化学でK殻、L殻、M殻…と呼んでいた電子殻のことを主殻と呼びます。主殻は副殻に分けられ、副殻はさらに電子軌道に分けられるのです。
次に主殻、副殻、電子軌道にそれぞれ対応する整数を主量子数n、方位量子数l（エル）、磁気量子数m、更に電子のスピン量子数をsとします。そうするとそれぞれ以下の通り数値を規定することが可能です。
・主量子数 ：n=1, 2, 3, …
・方位量子数：l = 0, 1, 2, …, n-1（n種類）
・磁気量子数：m = -l, -l+1, -l+2, …, -1, 0, 1, …, l-2, l-1, l（(2l+1)種類）
・スピン量子数：s = +1/2, -1/2
＼次のページで「1-3. 電子軌道と電子配置のルール」を解説！／
image by Study-Z編集部
この表で一番右側の磁気量子数の欄に表記されているのがそれぞれ電子軌道を表しています。例えばK殻は1s軌道を、M殻は3s軌道・3p軌道・3d軌道をもっていると理解してください。この表で方位量子数l≧4は実際に使用されることが無いため括弧でくくっています。
以上みてきたようにK殻は1s軌道、L殻は2s、2p軌道、M殻は3s、3p、3d軌道をそれぞれもっておりs軌道は図に示すような球状の範囲内に2個の電子を、p軌道はx軸、y軸、z軸の3方向にそれぞれ2つずつ合計6個の電子を収容できます。原子番号6（電子数6個）：炭素原子の電子配置を見てみたのが次の図です。
image by Study-Z編集部
まず1s軌道に2個の電子が収容され、次に2s軌道に2個、最後に2p軌道の3つの”箱”の内2つに1つずつ電子が収容されていることが分かります。ここで電子に上矢印と下矢印がついているのは+1/2のスピンをもつ電子と-1/2のスピンをもつ電子を表現しているのですが、それら電子配置のルールをまとめたものが次の通りです。
1. エネルギー準位の低い軌道から順番に入っていくこと
2. 1つの軌道に2個の電子が入る場合、スピンの方向は逆になること
3. 1つの軌道に2個を超える電子は入ることができない
4. 電子が同じ軌道エネルギー（方位量子数）の箱に入る場合、スピンの方向が同じになるよう別々の箱に収容していくこと（図の2p軌道参照）
ここで2番と3番はパウリの排他原理を、4番はフントの規則と呼ばれるものをそれぞれ表しています。
こちらの記事もおすすめ
5分で分かる「フントの規則」量子化学の基礎となる電子配置のルールとは？京大卒の研究者がわかりやすく解説！
混成軌道の解説に入る前にもう一つ、原子軌道と分子軌道について説明しておきましょう。ここでは分子の中で最もシンプルな構造をもつ水素分子（H2）を使って解説していきます。
＼次のページで「3. 混成軌道とは」を解説！／
image by Study-Z編集部
2つの水素原子（H）が近づいていくとお互いが持っている1s軌道が重なり始めます。さらに近づいていくとそれぞれの1s軌道同士が融合し、水素原子核2つを取り巻く新しい軌道が形成されますね。この原子軌道が組み合わせってできた新しい電子軌道が分子軌道です。
化合物を形成する際このようにそれぞれの原子から電子（価電子）を共有して結合するのですが、中には単純にs軌道同士やp軌道同士で余っている電子を合わせるだけでは理論的に矛盾が生じてしまう場合があります。その際に用いられるのが従来の原子軌道を変化させた「混成軌道」です。
こちらの記事もおすすめ
【化学】「水素」って何？化学専攻が教える文系でもわかる「水素」のお話
混成軌道理論は電気陰性度でおなじみのライナス・カール・ポーリング（Linus Carl Pauling、1901-1994）がメタン（CH4）のような分子の構造を説明するために開発した当時の経験則にもとづいた理論です。それが現在では特に有機化学分野でよく使われるようになっています。混成軌道というのは複数の種類の軌道が混ざり合って形成される、新しい軌道を表現する言葉です。
メタン（CH4）、エチレン（C2H4）、アセチレン（C2H2）を例にsp3混成軌道、sp2混成軌道、sp混成軌道についてみていきましょう。
image by Study-Z編集部
炭素原子と水素原子がメタン（CH4）を形成する際基底状態では2s軌道に電子が2個、2p軌道2個にそれぞれ1つずつ電子が入っていますが、このままでは結合することができません。そこで2s軌道と2p軌道3つによりsp3混成軌道を形成します。sp3の「3」は2p軌道が3つあることを意味しており、これにより等価な4つの軌道が形成されていますね。
This file was made by User:Sven Translation If this image contains text, it can be translated easily into your language. If you need help, contact me Flexible licenses If you want to use this picture with another license than stated below, contact me Contact the author If you need a really fast answer, mail me. If you need only a fast answer, write me here. - selfmade このW3C-unspecified ベクター画像はInkscapeで作成されました 。, CC 表示-継承 3.0, リンクによる
その結果4つの軌道によりメタン（CH4）は互いの軌道が109.5度で交わる正四面体構造となります。
This file was made by User:Sven Translation If this image contains text, it can be translated easily into your language. If you need help, contact me Flexible licenses If you want to use this picture with another license than stated below, contact me Contact the author If you need a really fast answer, mail me. If you need only a fast answer, write me here. - selfmade このW3C-unspecified ベクター画像はInkscapeで作成されました 。, CC 表示-継承 3.0, リンクによる
形成された3つの混成軌道は同一面内で互いに120度の角度で交わります。この平面上の混成軌道がσ結合を形成し、平面と直交している余った2p軌道同士がπ結合を1つ形成（二重結合）することでエチレン（C2H4）は成立するのです。
＼次のページで「3-3. sp混成軌道」を解説！／
image by Study-Z編集部
sp混成軌道はs軌道とp軌道1つが混成軌道を形成し、2p軌道2つが余っています。混成軌道2つは炭素原子に対して180度の角度で直線的に交わります。残った2p軌道2つはそれらに直交している形です。
Ben Mills - 投稿者自身による作品, パブリック・ドメイン, リンクによる
混成軌道がσ結合を形成し、余った2つの2p軌道がπ結合を形成することでアセチレン（C2H2）は直線的に三重結合をとる形となっているのですね。
「混成軌道」は本来大学の、水素原子のような2粒子系のシュレディンガー方程式の導出から始まる量子化学の授業で学ぶ内容となりますが、今回はなるべく分かりやすくなるようにポイントを噛み砕いてお伝えしました。
あまり難しく考えず原子と原子の軌道が一つになるイメージをもって、分子が形成された時どのような形になるのかを想像しながら化学式を眺めてみてください。
image by Study-Z編集部
sp混成軌道はs軌道とp軌道1つが混成軌道を形成し、2p軌道2つが余っています。混成軌道2つは炭素原子に対して180度の角度で直線的に交わります。残った2p軌道2つはそれらに直交している形です。
Ben Mills – 投稿者自身による作品, パブリック・ドメイン, リンクによる
混成軌道がσ結合を形成し、余った2つの2p軌道がπ結合を形成することでアセチレン（C2H2）は直線的に三重結合をとる形となっているのですね。
「混成軌道」は本来大学の、水素原子のような2粒子系のシュレディンガー方程式の導出から始まる量子化学の授業で学ぶ内容となりますが、今回はなるべく分かりやすくなるようにポイントを噛み砕いてお伝えしました。
あまり難しく考えず原子と原子の軌道が一つになるイメージをもって、分子が形成された時どのような形になるのかを想像しながら化学式を眺めてみてください。
おすすめの記事
Related Posts
