酸素分子はなぜ二重結合をつくるのか?電子論と軌道論の両方を使って解説

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oxygen 科学

酸素分子ってO2ですよね?

その通りです

O=Oの二重結合になるのはなぜですか?

電子2個ずつ、計4個の電子が結合に関与するからです

本記事は酸素分子の二重結合に関して、わかりやすくまとめた記事です。高校化学の電子論による説明と、大学化学の軌道論による説明をしています。この記事を読んで理解すると、結合に関する理解が深まります。そして、酸素がなぜ二重結合をつくるのか?という疑問を解消することができます。また、超酸化物イオンや過酸化物イオンの電子状態についても、理解を深めることができます。

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O2分子の電子状態

電子論による説明 (高校化学)

O原子は8個の電子を持っており、K殻に2個、L殻に6個の電子が充填されています。最外殻はL殻で、最外殻電子は6個です。O原子1つに対し、非共有電子対が2組不対電子が2個あります。

O2分子では、O原子1つにつき、2個の不対電子を出して安定化します。お互いに電子を2個ずつ出し合うことによって、O原子2つで計4個の電子を共有します。このとき、O原子の周りに注目すると、どちらのO原子も8個の電子を有していることがわかります。つまり、オクテット則を満たした状態であり、安定状態にあると考えることができます。

よって、2つのO原子間で2組の電子共有を行っているので、O2分子は二重結合を形成します。

軌道論による説明 (大学化学)

O2分子には16個の電子があり、電子配置はσ1s2, σ*1s2, σ2s2, σ*2s2, σ2px2, π2py2, π2pz2, π*2py1, π*2pz1となります。

σはσ結合性、πはπ結合性、1s, 2s, 2px, 2py, 2pzはそれぞれの軌道、肩の数字は軌道に入っている電子数、*の有無はそれぞれ結合性軌道と反結合性軌道を表しています。

結合性軌道と反結合性軌道は打ち消しあうので、2px軌道によるσ結合、2py, 2pz軌道によるπ結合が残ります。しかし、π*2py, π*2pz軌道にそれぞれ1つずつ電子が入っており、2py, 2pz軌道のπ結合の半分が打ち消されるため、全体としてπ結合が1つ形成されます。つまり、1つのσ結合と1つのπ結合による二重結合を形成します

さらに、O2分子はπ*2py, π*2pz軌道にそれぞれ1つずつ不対電子が入っているので、常磁性を示します。

【外部サイト】
香川大学 創造工学部創造工学科先端マテリアル科学コース 石井知彦研究室
酸素の分子軌道に関する詳細はこちら


※研究室HP画面左のスクロールバーを下に移動すると、「混成軌道と分子軌道」のリンクがあります。そのリンク先に、酸素分子の軌道に関する詳細が記載されています。

補足 超酸化物イオンO2の電子状態

超酸化カリウムKO2などの化合物を構成するイオンです。

超酸化物イオンO2はO2分子に電子が1つ余分に加わり、17個の電子があります。電子配置はσ1s2, σ*1s2, σ2s2, σ*2s2, σ2px2, π2py2, π2pz2, π*2py2, π*2pz1となります。

2px軌道によるσ結合は残りますが、2py, 2pz軌道によるπ結合の一部が打ち消されるので、結合次数は1.5となります。

この記述では、1つ余分に加わった電子はπ*2py軌道に入っていますが、 π*2pyとπ*2pz軌道は縮重しているので、正確にはπ*2pyまたはπ*2pzに入ると考えてください。

O2イオンもO2分子と同様に不対電子を有するので、常磁性を示します。

補足 過酸化物イオンO22-の電子状態

過酸化ナトリウムNa2O2などの化合物を構成するイオンです。

過酸化物イオンO22-はO2分子に電子が2つ余分に加わり、18個の電子があります。電子配置はσ1s2, σ*1s2, σ2s2, σ*2s2, σ2px2, π2py2, π2pz2, π*2py2, π*2pz2となります。

π2py, π2pz軌道による結合は完全に打ち消され、σ2px軌道による結合だけ残るので、単結合を形成します。

また、不対電子を持たないので磁性は示しません。

まとめ

ここまで、酸素分子がなぜ二重結合を形成するのか、電子論と軌道論の側面から書いてきました。以下、本記事のまとめです。

酸素分子はなぜ二重結合をつくるのか?

電子論】
O原子間で4個の電子を共有すると、それぞれのO原子がオクテット則を満たした安定状態になるから


軌道論】
電子が結合性の2px, 2py, 2pz軌道と反結合性の2py, 2pz軌道に入り、1つのσ結合と1つのπ結合をつくるから


※2つの理論は違う側面から説明しているだけで、本質は同じです

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