混成軌道 わかりやすく
炭素はなぜいつも四方向に結合するのでしょうか。純粋な s 軌道と p 軌道だけでは、メタンの整った四面体の角を説明できません。混成は、一つの原子の中の sと p 軌道を混ぜて、エネルギーが等しく特定の方向を指す新しい軌道を作る考えです。混ぜる割合が、軌道の指す方向の数と角度を決めます。sp² は平面の三角形で、sp³ は四面体になります。混ざりが方向を作ります。
s 軌道は方向のない球で、p 軌道は前後に伸びた二つの滴です。s 成分を少しずつ混ぜてみます。前の滴には足され、後ろの滴では打ち消されて、片方が大きく反対側が小さくなった混成軌道になります。こうして方向がはっきりした軌道でなければ、遠くへ伸びて結合をよく作れません。片方が大きくならなければ結合は立ちません。
混ぜる軌道の数が方向の数を決めます。s 一つに p 一つを混ぜると sp の二方向が正反対に 180 度、p 二つなら三方向が平面で 120 度、p 三つなら四方向が四面体で 109.5 度です。sp² と sp³ がその中間と端です。ボタンを押すと、同じ原子の軌道が互いをできるだけ押しのけ、どの角で落ち着くかが見えます。数が角を決めます。
メタンを直接組み立てます。炭素は四つの sp³ 混成軌道を四面体の方向へ突き出しています。水素を一つずつ付けると、水素の s 軌道が各滴と正面で重なり、シグマ結合ができます。四つが全部付くと完全に対称な CH₄ になり、すべての H-C-H 角は 109.5 度にぴったり合います。sp³ 混成がその骨格です。四方向が一つの分子です。
エチレンの二重結合をほどいてみます。二つの炭素は混成なので、シグマ結合一つで正面からつながります。ところが各炭素には、混成に使わなかった p 軌道が一つずつ、平面に垂直に残っています。この二つが側面で重なり、分子平面の上下にパイ結合を作ります。sp² がその平面の骨格です。パイの重なりを保つには二つの炭素が同じ平面にいなければならないので、二重結合は平らで、勝手にねじれません。平面がねじれを止めます。
結合角は、混成に入った s 成分に従って滑らかに変わります。s 成分が 25% なら sp³ の 109.5 度、33% なら sp² の 120 度、50% なら直線の 180 度へ続きます。s 成分が多いほど、軌道はより広く開きます。s 成分を動かすと結合角が一緒に動き、なぜ s 成分が集まる側の角が広くなるのか、感覚がつかめます。成分が角を押します。