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科目から解答PDFを探す ルイス構造とオクテット則 価電子を点や線で表し、結合を共有電子対で書いた構造をルイス構造という。第2周期の元素は価電子が8個（水素は2個）になる配置をとりやすい（オクテット則）。B F 3 \mathrm{BF_3} B F 3 S F 6 \mathrm{SF_6} S F 6 P C l 5 \mathrm{PCl_5} PC l 5
形式電荷 ルイス構造の各原子について
形式電荷 = V − N − B 2 \text{形式電荷} = V - N - \frac{B}{2} 形式電荷 = V − N − 2 B と定める。V V V N N N B B B
形式電荷で二酸化炭素のルイス構造を選ぶ C O 2 \mathrm{CO_2} C O 2 O = C = O \mathrm{O{=}C{=}O} O = C = O O ≡ C − O \mathrm{O{\equiv}C{-}O} O ≡ C − O
解答
O = C = O \mathrm{O{=}C{=}O} O = C = O V = 4 V = 4 V = 4 N = 0 N = 0 N = 0 B = 8 B = 8 B = 8 4 − 0 − 4 = 0 4 - 0 - 4 = 0 4 − 0 − 4 = 0 V = 6 V = 6 V = 6 N = 4 N = 4 N = 4 B = 4 B = 4 B = 4 0 0 0
O ≡ C − O \mathrm{O{\equiv}C{-}O} O ≡ C − O 0 0 0 6 − 2 − 3 = + 1 6 - 2 - 3 = +1 6 − 2 − 3 = + 1 6 − 6 − 1 = − 1 6 - 6 - 1 = -1 6 − 6 − 1 = − 1 O = C = O \mathrm{O{=}C{=}O} O = C = O
検算
どちらの構造でも形式電荷の和は 0 0 0 4 + 6 × 2 = 16 4 + 6 \times 2 = 16 4 + 6 × 2 = 16
VSEPR理論 条件
典型元素を中心原子とする分子・イオン。二重結合と三重結合は1組の電子対の領域として数える。遷移金属の錯体には使えない（d電子の影響を入れないため）。
主張
中心原子のまわりの電子対の領域の数 m m m m = 2 m = 2 m = 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 6
要点
三方両錐では、非共有電子対は90°の隣が少ないエクアトリアル位置に入る。経験則なので、H 2 S \mathrm{H_2S} H 2 S
電子対の数と分子の形（A は中心原子、X は結合する原子、E は非共有電子対） 4組 A X 4 四面体 ( C H 4 , 109.5 ∘ ) , A X 3 E 三角錐 ( N H 3 , 107 ∘ ) , A X 2 E 2 折れ線 ( H 2 O , 104.5 ∘ ) \mathrm{AX_4}\ \text{四面体}\ (\mathrm{CH_4},\ 109.5^\circ),\quad \mathrm{AX_3E}\ \text{三角錐}\ (\mathrm{NH_3},\ 107^\circ),\quad \mathrm{AX_2E_2}\ \text{折れ線}\ (\mathrm{H_2O},\ 104.5^\circ) A X 4 四面体 ( C H 4 , 109. 5 ∘ ) , A X 3 E 三角錐 ( N H 3 , 10 7 ∘ ) , A X 2 E 2 折れ線 ( H 2 O , 104. 5 ∘ ) 5組 A X 5 三方両錐 , A X 4 E シーソー ( S F 4 ) , A X 3 E 2 T字 ( C l F 3 ) , A X 2 E 3 直線 ( X e F 2 , I 3 − ) \mathrm{AX_5}\ \text{三方両錐},\quad \mathrm{AX_4E}\ \text{シーソー}\ (\mathrm{SF_4}),\quad \mathrm{AX_3E_2}\ \text{T字}\ (\mathrm{ClF_3}),\quad \mathrm{AX_2E_3}\ \text{直線}\ (\mathrm{XeF_2},\ \mathrm{I_3^-}) A X 5 三方両錐 , A X 4 E シーソー ( S F 4 ) , A X 3 E 2 T 字 ( Cl F 3 ) , A X 2 E 3 直線 ( Xe F 2 , I 3 − ) 6組 A X 6 八面体 ( S F 6 ) , A X 5 E 四角錐 ( B r F 5 ) , A X 4 E 2 平面四角形 ( X e F 4 ) \mathrm{AX_6}\ \text{八面体}\ (\mathrm{SF_6}),\quad \mathrm{AX_5E}\ \text{四角錐}\ (\mathrm{BrF_5}),\quad \mathrm{AX_4E_2}\ \text{平面四角形}\ (\mathrm{XeF_4}) A X 6 八面体 ( S F 6 ) , A X 5 E 四角錐 ( Br F 5 ) , A X 4 E 2 平面四角形 ( Xe F 4 ) 四フッ化キセノンと四フッ化硫黄の形 X e F 4 \mathrm{XeF_4} Xe F 4 S F 4 \mathrm{SF_4} S F 4
解答
X e F 4 \mathrm{XeF_4} Xe F 4
S F 4 \mathrm{SF_4} S F 4
検算
電子数で確かめる。X e F 4 \mathrm{XeF_4} Xe F 4 8 + 7 × 4 = 36 8 + 7 \times 4 = 36 8 + 7 × 4 = 36 6 × 4 = 24 6 \times 4 = 24 6 × 4 = 24 4 4 4
混成軌道 中心原子の s 軌道と p 軌道（d 軌道を含めることもある）を一次結合して、等価な向きをもつ軌道を作ったものを混成軌道という。s p \mathrm{sp} sp s p 2 \mathrm{sp^2} s p 2 s p 3 \mathrm{sp^3} s p 3
等価な混成軌道のなす角 条件
1つの s 軌道と n n n n + 1 n + 1 n + 1 s p n \mathrm{sp}^n sp n n = 1 , 2 , 3 n = 1, 2, 3 n = 1 , 2 , 3
主張
2つの混成軌道の向きのなす角 θ \theta θ
cos θ = − 1 n \cos\theta = -\frac{1}{n} cos θ = − n 1 を満たす。n = 1 , 2 , 3 n = 1, 2, 3 n = 1 , 2 , 3 180 ∘ 180^\circ 18 0 ∘ 120 ∘ 120^\circ 12 0 ∘ 109.47 ∘ 109.47^\circ 109.4 7 ∘
要点
混成軌道を ϕ = ( s + n p u ) / 1 + n \phi = (s + \sqrt{n}\,p_{\boldsymbol{u}})/\sqrt{1+n} ϕ = ( s + n p u ) / 1 + n p u p_{\boldsymbol{u}} p u u \boldsymbol{u} u 1 + n cos θ = 0 1 + n\cos\theta = 0 1 + n cos θ = 0 H 2 O \mathrm{H_2O} H 2 O
分子の極性は、結合の双極子モーメントをベクトルとして足して判定する。C O 2 \mathrm{CO_2} C O 2 B F 3 \mathrm{BF_3} B F 3 C C l 4 \mathrm{CCl_4} CC l 4 H 2 O \mathrm{H_2O} H 2 O N H 3 \mathrm{NH_3} N H 3 C H C l 3 \mathrm{CHCl_3} CHC l 3
格子エネルギー イオン結晶 1 mol を、気体の陽イオンと陰イオンに引き離す変化
N a C l ( s ) ⟶ N a + ( g ) + C l − ( g ) \mathrm{NaCl(s) \longrightarrow Na^+(g) + Cl^-(g)} NaCl ( s ) ⟶ N a + ( g ) + C l − ( g ) のエンタルピー変化を格子エンタルピー（格子エネルギー）U U U U > 0 U > 0 U > 0
ボルン・ランデ式 条件
結晶を剛体球の点電荷の集まりとみなし、イオン間の反発を r − n r^{-n} r − n M M M z + , z − z_+, z_- z + , z − r 0 r_0 r 0 n n n
主張
U = N A M ∣ z + z − ∣ e 2 4 π ε 0 r 0 ( 1 − 1 n ) U = \frac{N_\mathrm{A} M |z_+ z_-| e^2}{4\pi\varepsilon_0 r_0}\left(1 - \frac{1}{n}\right) U = 4 π ε 0 r 0 N A M ∣ z + z − ∣ e 2 ( 1 − n 1 ) 要点
静電エネルギー − N A M ∣ z + z − ∣ e 2 / ( 4 π ε 0 r ) -N_\mathrm{A}M|z_+z_-|e^2/(4\pi\varepsilon_0 r) − N A M ∣ z + z − ∣ e 2 / ( 4 π ε 0 r ) B / r n B/r^n B / r n r r r r 0 r_0 r 0 B B B
ボルン・ハーバーサイクルによる塩化ナトリウムの格子エネルギー 次の値（k J m o l − 1 \mathrm{kJ\,mol^{-1}} kJ mo l − 1 N a C l \mathrm{NaCl} NaCl N a C l \mathrm{NaCl} NaCl − 411 -411 − 411 N a \mathrm{Na} Na + 107 +107 + 107 N a \mathrm{Na} Na + 496 +496 + 496 C l 2 \mathrm{Cl_2} C l 2 + 242 +242 + 242 C l \mathrm{Cl} Cl 349 349 349 C l ( g ) + e − ⟶ C l − ( g ) \mathrm{Cl(g) + e^- \longrightarrow Cl^-(g)} Cl ( g ) + e − ⟶ C l − ( g ) 349 349 349
解答
単体からイオン対の気体までを2通りでたどる。N a ( s ) + 1 2 C l 2 ( g ) \mathrm{Na(s) + \tfrac{1}{2}Cl_2(g)} Na ( s ) + 2 1 C l 2 ( g ) N a + ( g ) + C l − ( g ) \mathrm{Na^+(g) + Cl^-(g)} N a + ( g ) + C l − ( g )
107 + 496 + 1 2 ( 242 ) − 349 = 375 107 + 496 + \tfrac{1}{2}(242) - 349 = 375 107 + 496 + 2 1 ( 242 ) − 349 = 375 これは N a C l ( s ) \mathrm{NaCl(s)} NaCl ( s ) − 411 + U -411 + U − 411 + U U = 375 + 411 = 786 k J m o l − 1 U = 375 + 411 = 786\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} U = 375 + 411 = 786 kJ mo l − 1
検算
サイクルを一周したエンタルピー変化の和は 107 + 496 + 121 − 349 − 786 + 411 = 0 107 + 496 + 121 - 349 - 786 + 411 = 0 107 + 496 + 121 − 349 − 786 + 411 = 0 C l 2 \mathrm{Cl_2} C l 2 1 2 \tfrac{1}{2} 2 1
ボルン・ランデ式による見積もり N a C l \mathrm{NaCl} NaCl M = 1.7476 M = 1.7476 M = 1.7476 r 0 = 282 p m r_0 = 282\ \mathrm{pm} r 0 = 282 pm n = 8 n = 8 n = 8
解答
N A e 2 / ( 4 π ε 0 ) = 1.3894 × 10 − 4 J m m o l − 1 N_\mathrm{A}e^2/(4\pi\varepsilon_0) = 1.3894 \times 10^{-4}\ \mathrm{J\,m\,mol^{-1}} N A e 2 / ( 4 π ε 0 ) = 1.3894 × 1 0 − 4 J m mo l − 1
U = 1.3894 × 10 − 4 × 1.7476 2.82 × 10 − 10 ( 1 − 1 8 ) = 7.53 × 10 5 J m o l − 1 U = \frac{1.3894\times10^{-4} \times 1.7476}{2.82\times10^{-10}}\left(1 - \frac{1}{8}\right) = 7.53 \times 10^{5}\ \mathrm{J\,mol^{-1}} U = 2.82 × 1 0 − 10 1.3894 × 1 0 − 4 × 1.7476 ( 1 − 8 1 ) = 7.53 × 1 0 5 J mo l − 1 U ≈ 753 k J m o l − 1 U \approx 753\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} U ≈ 753 kJ mo l − 1 786 786 786
検算
単位は J m m o l − 1 / m = J m o l − 1 \mathrm{J\,m\,mol^{-1}/m} = \mathrm{J\,mol^{-1}} J m mo l − 1 /m = J mo l − 1 r − n r^{-n} r − n
非共有電子対を含めた配置の名前を分子の形として答える。N H 3 \mathrm{NH_3} N H 3
三方両錐の非共有電子対をアキシアル位置に置く。90°で隣り合う電子対が少ないエクアトリアル位置に入るので、S F 4 \mathrm{SF_4} S F 4 C l F 3 \mathrm{ClF_3} Cl F 3
極性結合をもつ分子はすべて極性分子とする。C O 2 \mathrm{CO_2} C O 2 C C l 4 \mathrm{CCl_4} CC l 4
ボルン・ハーバーサイクルで、C l 2 \mathrm{Cl_2} C l 2 N a C l \mathrm{NaCl} NaCl C l \mathrm{Cl} Cl C l 2 \mathrm{Cl_2} C l 2 1 2 \tfrac{1}{2} 2 1
電子親和力の符号をエンタルピー変化と同じに扱う。電子親和力は放出されるエネルギーを正と定義するので、C l ( g ) + e − ⟶ C l − ( g ) \mathrm{Cl(g) + e^- \longrightarrow Cl^-(g)} Cl ( g ) + e − ⟶ C l − ( g )
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