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5分で分かる「σ結合」分子が安定な理由とは?原子はなぜ結合を作る?京大卒研究者が解説!

よぉ、桜木健二だ。今日は「σ結合」について学んでいくぞ。化学では原子同士が結合して分子を形成することが常識になっているが、この結合がなぜ生まれるか、という点は量子化学が誕生した20世紀初めまで分かっていなかったんだ。

今回は量子化学では原子の周りに存在する電子の表現方法を学んだ後に分子が結合を作る理由について考え、最後に水素がなぜ2つの原子から水素分子を作るのか、ヘリウムはなぜ分子を作ることができないのかを学んでいく。化学に詳しいライター珈琲マニアと一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/珈琲マニア

京都大学で化学を専攻し、今はメーカーの研究員として勤務。大学時代に物理化学に関する研究を行っており、量子化学の専門的な知識も豊富。

1.結合の源になる電子

image by iStockphoto

世の中の物質は何から作られているのか、古くから多くの科学者がこの問題に取り組んできました。そして生まれたのが「すべての物質は原子から作られている」という考え方です。原子や分子という考え方が生まれたのは1800年代の初頭で、その後に元素の周期表が発表されたり炭素を中心に分子同士を反応させて新しいものを作る有機化学という学問分野が大きく発展しました。

 

一方で原子同士の結合はどのように形成されるのか、安定な分子と安定ではない分子の違いは何か、このような根本的な疑問はまだ解明されていませんでした。これらの疑問が解消されたのは20世紀初頭に大きく発展した量子力学、量子化学のおかげです。今回紹介するσ(シグマ)結合とは分子同士が作り上げる結合の一種で、量子化学の考え方に基づいています。σ結合を理解するため、まずは1つの原子の中で電子がどのように存在しているか見ていきましょう。

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