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質問スレッド@化学板132
71 :
「混成AO」は実在するか?

いくつかの分子の例を挙げます。

CH4  正4面体形 (∠HCH = 109.47° C-H = 0.10870 nm)
NH3  3回対称形 (∠HNH = 107.8° N-H = 0.1017 nm)
OH2  く の字形・への字形 (∠HOH = 104.45° O-H = 0.09584 nm)
FH   直線形   (F-H = 0.0917 nm)

これらの分子構造は、分光測定(振動回転準位)などから得られたものです。

これを説明するため、昔むかしポーリングは
 2s軌道と(2p)^3 軌道が混成して、等エネルギーの「sp^3 混成AO」4個が生じ
 そのうち何個かが水素AO(1s)と共有結合する、
という考えを出しました(VB理論*)。

孤立電子対は共有電子よりエネルギーが高いことを考慮して、
VB理論では、電子準位のエネルギーは下のようになるでしょう。

CH4  4重
NH3  1+3
OH2  2+2
FH   3+1

(←高エネルギー、 低エネルギー→)

* L.ポーリング "The nature of the chemical bond"(1939)

72 :
では実際の被占軌道のエネルギー準位はどうでしょうか?

   XPS実測(**)

CH4  3重+1重
NH3  1+2+1
OH2  1+1+1+1
FH   2+1+1
Ne   3+1

ここでVB理論は破綻します。
Cの2p電子は2s電子より 7.53 eV も高いので、仲良くするのは無理でしょう。
Nでも 11eV 、 Oでも 19eV、Fに至っては 29eV もかけ離れているので、尚更です。

けっきょく混成していたのは水素AOの方でした。MO理論が必要なのは明らかでしょう。

** Stefan Huefner:"Photoelectron Spectroscopy〜Principles and Applications〜”,3rd ed.Springer-Verlag(2010/Dec)
 680p.16545円 p.156〜158 Fig.5.8 〜 5.9

http://www.eng.kagawa-u.ac.jp/~tishii/Lab/hybrid/ch4/ch4.html

73 :
次に、MO理論ではどうなるか?

CH4 は正4面体形なので、C-2p軌道(3重項)の向きは適当でよい。
しかし、NH3、OH2、FH では、摂動H’の主軸の方向に向けねばならない。(対角化)
NH3 では3回軸を、
OH2 では∠HOHの2等分線を、
FH では分子軸をz軸とする。
(前掲書 Fig.5-9 の中の図を参照)

軌道エネルギーの高い方から、
 MO(2p-:)> MO(2p-H)> MO(2s)
 :は孤立電子対

したがって、MO理論では

CH4  3重+1重
NH3  1+2+1
OH2  1+1+1+1
FH   2+1+1

となり、実測と一致します。

http://www.eng.kagawa-u.ac.jp/~tishii/Lab/hybrid/ch4/ch4.html

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