メインは京大受験体験記 ほぼ独学で京大に受かる参考書レビューなど 
 
京大生活100はリンクフリーです

上記の広告は1ヶ月以上更新のないブログに表示されています。
新しい記事を書く事で広告が消せます。
1、分子の形①
参考文献

無機化学 上



新理系の化学


1回目は分子の形についてです。
例えば二酸化炭素は直線型であるとか、水は折れ線型であることは皆さんよくご存知だと思います。
しかし、「何故そういう形になるか」については案外知られていないところです。
今回はそんな「分子の形はどうなる?」についてお話したいと思います。


 厳密に分子の形・共有電子対の存在確率を探ろうと思えば
波動関数を解くしかありませんが、
おおよその形はそんなことをせずとも、「だいたい」予測可能です。

ここでは、おおまかな分子型の予測に
「原子価殻電子対反発理論(VSEPR)」を用いたいと思います。
なんだか、えらく仰々しい名前ですねぇ。思わず目を背けたくなります。笑
しかし中身はそうでもありません。
ただ単に「(非)共有電子対どうしは反発し、できるだけ遠ざかろうとする」と言うことです。
こう言うと化学マニアな高校生の方はご存知かもしれません。汗


さすがにこれだけではちょっと分かりにくいですね。
というわけで百聞は一見に如かず、具体例を一つずつ見ていきましょう。


まずメタンの例を下に挙げます

methane1.jpg


これは真ん中のC原子の周りに、水素原子が正四面体を作るように配置されています。
これがC-Hの共有結合をなす「共有電子対」どうしがお互いに一番離れるような配置なのです。
(いわゆるsp3混成軌道というものです)

試しに他の形でもっと電子対どうしが離れるものを考えてみてください。
もちろんどの水素原子も区別はつけられませんから、
任意の「C-H結合とC-H結合の成す角」は全て同じ角度でなければなりません。
(全部で4C2=6通りあります)
それに、どれか1本C-H結合の角度を変えると、別のC-H結合と必ず近づいてしまいます。
(これに関してはベクトルかなんか使えば証明できるでしょう)
やっぱり、正四面体形が最も結合電子対どうしが離れる形ですよね!?
(押し付けがましくも…)

よろしいでしょうか??これで納得してもらえるんかなぁ。汗
説明が大下手で申し訳ないです。大汗



以上に説明したことは実はイオンの場合でも成り立ってしまうんです。
とにかく大事なのは電子対どうしの反発で結合角が決まっちゃうという事なんですから。



ではその例を以下に示します。

硫酸イオンやアンモニウムイオンも同様の正四面体型を示します。
(なぜなら、全て、中心の原子まわりの電子対は4組であるから)

m_a_s.jpg


これら全ての共通点は先ほども述べました通り
中心原子のまわりに電子対が4組あることなんです。

ではオクテット則(またいずれ説明します)に従って
電子式(electron dot式)を描いてみましょう。

methane_electrondot.jpg


これをご覧になれば明らかですね。
それぞれ結合の角度に関与しそうな電子対
(ここでは全て中心原子まわりの電子対のこと)
は全て4対となっています。


従って、これらは全て、メタンと同様に正四面体の構造を示します。


以上の論点を軽くおさらいしておきますと…


1、電子対どうしの反発により結合角が(ある程度)予測できる。
2、4つの電子対が最も遠ざかろうとする時、結合角は全て109.5°となる。
  すなわち、その形は正四面体型である。


あくまで「ある程度」なんですがね…

またおいおい他の形の分子についても触れたいと思います。
お楽しみに~



スポンサーサイト
2、分子の形②


参考文献:

無機化学 上






1、分子の形①の続きです。

今回は非共有電子対を有する分子についてお話します。

皆さんご存知のH2OとNH3についてです。

前者の「水」は折れ線型、後者の「アンモニア」は三角錐型と習ったかと思います。
water2.jpg

ammonia2.jpg



しかしこれも原子価殻電子対反発理論(VSEPR理論)を用いれば簡単に理解できます。
すなわち「電子対どうしは反発しあう」というものです。
その様子を水とアンモニアの電子式を例に示しておきます。

w_a_electrondot.jpg


ここで一つ注意をしなければいけません。
敢えて「電子対」という曖昧な表現を用いたのですが、
これは、「共有電子対」「非共有電子対」どちらでも適用されるのです。
以下のイメージをご覧ください。

water3.jpg


水分子は非共有電子対のローブと共有電子対のローブ全体で
正四面体構造をとるのです。

ただしかし正四面体構造において実際目に見えるのは共有結合のみで
残りの非共有電子対は見えません。

したがって水は折れ線型に見えるのです。

更に以下にアンモニアのイメージを貼っておきますが水の場合と同様の議論になります

ammonia3.jpg



こちらも全体では正四面体であるものを、
目に見える部分だけ切り取った結果三角錐型となるのです。


あとこれは、完全に高校範囲から脱線してしまうのですが、
共有電子対に比べて、非共有電子対はあまり束縛されません
(共有電子対は「結合」に関与しているのでより束縛が強い)

従って、非共有電子対の方が空間的に広がります。
その結果、他の共有結合を押し込んでやや結合角は小さくなってしまいます。

なので厳密に言うと、正四面体時の結合角109.5度より少し小さなります。
(実は上の図の変な矢印にはそういう意味がありました)

もちろんその効果は非共有電子対が多いほど高くなるので実際の結合角は…

109.5°>アンモニアの結合角>水の結合角

となる事は想像に難くないでしょう。
①システム英単語 ②ロイヤル英文法 をご紹介致します。



京大受験体験記でご紹介した、システム英単語です。
個人的に単語帳としては一番おススメです。
なぜかというと、最も出現頻度の高い意味がメインに載っており
更にそのメインの意味を用いた短いフレーズ(ミニマルフレーズ)が
全ての単語についてとりあげられていているので、
単語の実際の使用方法がイメージしやすく、
最も効率がよいと思われるからです。

それなら文章ばかりの「速読英単語」ならどうか?
実際の使い方がそのまま載っててイメージしやすいのでは?
たしかに速読英単語は長文読解の練習になりますし、悪くはないですが
単語の勉強としては少し効率の面でおススメできません。

ただ「速読英単語(2)上級編」というのがありまして、
これはやや難しめの文章を読む訓練とハイレベルな単語の勉強を
同時にできるので、ある程度システム英単語の単語を
覚えてしまった方にとっては非常によい教材だと思います。

それから
「京大入試でシステム英単語 Ver.2 だけでは足りないのではないか?」
と思われる方は結構いらっしゃると思います。

しかし実際は十分足りると思います。
ただ英語が大好きで英語を得点源にしたいという方は
先ほどご紹介した「速読英単語(2)上級編」や話題別英単語リンガメタリカあたりが難関大受験者の指示を集めているのでやってみてはいかがでしょうか?




こちらも京大受験体験記で少しご紹介したロイヤル英文法です。
高校指定の英文法書としてロイヤル英文法が
使われていれば全く問題ないのですが
あまり情報量の多くない・簡潔さを重視した文法書を
買わされている方は少し注意したほうがいいかもしれません。

たいていそのような情報量の少ない英文法書は
京大入試の英作に対応できないかもしれません。
京大受験体験記でもお話したんですが、
残念ながら管理人の英文法書も情報量が少なすぎたので
ベッドの下に封印してしまいました。笑

あなたは時制の使い分けが完璧に出来ますか?
完璧に出来なくとも8~9割は出来ますか?

それでは"will"と"be going to~"の例を挙げますと…

A:「私はお昼に持参の弁当を食べるつもりです。」
B:「それは残念だ。
  せっかくおすすめのレストランに誘おうと思ってたのに。」
A:「気が変わりました!やっぱり私もそのレストランに行きます。」

せっかく持ってきたお弁当はどうするんでしょうか?笑


そんなことはどうでもよくて、、、
一番目のAさんの「食べるつもり」は"be going to~"を用います。
一方、二番目のAさんの「行きます」は"will"を用います。


少しでも自信の無い方はお手持ちの文法書でご確認を…


それで解決できない場合は
ロイヤル英文法をおススメします。




3、分子の形③


参考文献

Peter Atkins, 無機化学 上




分子・イオンの形の最終回です。
①・②でかなりくどくやったので今回はさらっといきます。

①、②の内容は各分子・イオンの形は、その電子式を描き
電子対どうしの反発を考えれば大体分かるということでした。

下に他の例をしめします。

electrondot3.jpg

(↑画像クリックで拡大)

炭酸イオンはC周りの電子対の反発から平面三角形型になります。
次の二酸化炭素もC周りの電子対の反発から直線型になります。

3つめのオゾンは、真ん中のO周りの電子対の塊が3つあるのですが、
そのうち一つは非共有電子対であるので見かけは折れ線型になります。
もちろん、同じ折れ線型でも水より結合角は大きくなります。





なぜそうなるか?




もうお分かりですね。


水の折れ線型はあくまで「(正)四面体由来」の折れ線型です。(分子・イオンの形②参照)
なので結合の角度は109.5°付近になります。

一方オゾンの折れ線型は「(正)三角形由来」の折れ線型ですから
結合角は120°に近くなるのです。

そこで少し厄介なのが、五塩化リンです。
このように5組の電子対が最も離れる時は下のような三方両錐形になります。
(※別に覚えなくてもかまいません)

20061108233727.jpg



それでは問題です。
SF6ならどうなるでしょうか?

答えは下のほうに載せておきます。


これで分子・イオンの形が問われてももう怖くないですね。

















↓問題の答え(八面体型)
20061108233734.jpg

4、有機化学の反応の分類

参考文献

T. W. Graham Solomons, Organic Chemistry



第4回目は有機化学についてお話したいと思います。

皆さんは新しい有機反応の化学式に出会ったときはどのように覚えますか?
ひたすら丸暗記するというのも勿論一つの手ですが
少し立ち止まって、その反応機構(メカニズム)を調べるのもよいと思います。



有機化学で特に大事なのは

①求電子反応
②求核反応

の二つです。


①求電子反応とは…
求電子剤(electrophile)がπ結合などの電子が豊富な部分をアタックする反応です。
(※electrophile=electron(電子)+phile(ギリシャ語で「愛」。philosophy(愛知=哲学)と同語源)
つまり電子が好きな陽性の反応剤です。水素イオンなどがそれに該当します。)


この反応は
アルケンやアルキンのπ電子を狙った酸の付加や、
芳香環に対する置換反応などが挙げられます。


②求核反応とは…
求核剤(nucleophile)が、電荷がやや+に偏っている部分(δ+)をアタックする反応です。
(※求核剤は求電子剤の逆で、+電荷が好きな陰性の反応剤。
ハロゲン化物イオンやアルコール、アルコキシドなど。)


この反応ではエステルの合成や、アミドの合成、アルコールの脱水、
糖の環化反応などが挙げられます。



どうですか?
高校の有機化学で出てくる大事そうな反応がほとんど入ってそうですね。

次回からは①、②について反応のメカニズムを具体的に
見ていこうかと思います。。。

ただ、その前に、、
①・②の分類に入りませんが「ラジカル反応」というものについて少し触れようと思います。


というわけで今日は短いですが
レポートがだいぶたまってしまっているのでここまでにします。

5、(有機化学)ラジカル反応について

参考文献:

T. W. Graham Solomons Organic Chemistry


第5回目はラジカル反応についてです。

ラジカル(radical)とは「過激な」などの意味があるように
非常に反応性に富んだ化学種のことです。

有名どころでは 塩素分子Cl:Clを真っ二つに
割ってしまった「Cl・」などがそうです。
この塩素ラジカルはいわゆる塩素原子の状態です。

高校のはじめのほうに出てくるアルカンへの塩素置換反応では、
Cl2分子に対して、光を照射してエネルギーを与え
無理やり塩素分子を真っ二つに引きちぎることで
不安定な塩素ラジカルを作り出します。

地球上の塩素はその多くが海中などに存在する塩化物イオンCl
塩素分子Cl2として存在することからも分かるように
塩素原子という状態は普通ではなかなか存在できません。
かなり不安定な状態なのです。

この「不安定な状態」というのは裏返せば
「反応性に富んでいる」という事で
その性質を用いて行われる反応がいくつかあります。

ということで今回はラジカル反応の一種である、
アルケン或いはアルキンへの水素付加を取り上げたいと思います。


例をあげますとCH2=CH2+H2→CH3-CH3などのことです。
ところでこの反応の時、必ずニッケルやプラチナ、パラジウムなどの
触媒を用いますがどうしてでしょうか。

答えは「反応の活性化エネルギーを下げるため」…
勿論これで大正解ですがこれは単に触媒一般の性質を述べているに過ぎません。

ではこの反応におけるニッケルなどの金属触媒は
どのような役割を果たしているのでしょうか。

ヒントは上記の塩素ラジカルの作り方にあります。
先ほどは塩素ラジカルを作り出すために光を照射して無理やりCl-Clを引きちぎりました。

( Cl:Cl→ Cl・ + ・Cl )



同様にニッケルはH-Hを引きちぎり、水素ラジカルを作り出しますが
その触媒作用の仕方がなかなかおもしろいです。
下図のように、水素を触媒表面に吸着することで水素ラジカルを作り出すのです。

20061111001328.jpg




面白いのはこれだけではありません。
この反応では上図のように両方の水素原子は必ずアルケンの下側にくっつきます。
これを「シス付加」といいます。

この「シス付加」は京大化学でも時々見られる立体化学の問題を解く鍵ともなります。
(入試で出される時はヒント付だとは思いますが…)

20061111001448.png

※↑サムネイルのクリックで拡大します。

上図において、上の矢印の先はアルケン(1,2-ジメチルシクロペンテン)に対して
同じ方向(下側)から水素が付加しています。
これは、前述の通りニッケルなどを触媒としたcis付加となります。

一方下側の矢印の先はtrans型ですが、このような化合物は
ニッケルなどの触媒を利用した水素付加反応では起こりえません。

このような立体化学の差異は大変面白いので
京大入試の問題3あたりで出てもおかしくないでしょう。

もう一つ重要な事実があります。
通常上記の水素付加反応はアルケンに対してもアルキンに対しても
起こりうるものですが、特にアルキンに対する水素付加は途中生成物の
アルケンでは反応が止まらず、最終的にアルカンになるまで水素が付加します。

途中のアルケンで止めたい場合は、通常パラジウム触媒に対して
故意的に触媒力を落としたリンドラー触媒を用います。

そうすれば、アルキンに対する水素付加は途中のアルケンまででとめることが出来ます。



※リンドラー触媒については
http://en.wikipedia.org/wiki/Lindlar_catalystに詳しいです。

これらはヒント付で京大入試に十分出せるレベルなので
少し注意しておいたほうがよいかもしれません。

それでは最後に一つ問題です。
cis-3,4-ジメチル-3-ヘキセンに対して、上記の水素付加反応を行ったときの生成物の構造式を
立体化学が分かるように描いてみてください。
答えは次回の冒頭に載せておきます。
おすすめ
受験化学を極めるための一冊!
理系白書 この国を静かに支える人たち
理系白書 /講談社
価格:¥600
文・理系問わずオススメ! 
文系の方は、理系人の 
意外な一面に触れて下さい。 
理系の方は将来進むべき道の 
ヒントを得られることでしょう。 
英文法の基礎はこれ一冊でOK!
京都大学 日本一周バイクツーリングに行こうよ

相互リンクPRO
相互リンクNAVI
相互リンクなら相互リンクサーフ!
@相互リンク
ネット証券@オンライントレード
新築マンション、分譲マンション
相互リンクの知恵
相互リンクドクター!アクセスアップ
ブログランキング
rakutenn
日本一周バイクツーリングに行こうよ
上記広告は1ヶ月以上更新のないブログに表示されています。新しい記事を書くことで広告を消せます。