水分子の形について

質問

水分子はなぜ、あのような形をしているのでしょうか?「酸素OがSP3を取っていて、Hの反発力によって少し広がり、あのような形になっている。」と聞いたのですが、よくわかりません。酸素ってsp3を取れるのでしょうか?炭素は取れるということは習ったのですが、その考え方だと、酸素は取れないような気がします。
教えてください。お願いします。

回答No.6

psa29 · ベストアンサー

>結局、非共有電子対間の角度が大きくなる＝水素間の角度が小さくなるっていうのが、いえてないような気がします。
>図で書いてみても、非共有電子対間の角度変化が、水素間の角度変化に影響しないように見えてしまうのですが・・・。

というmurakkusuさんのご意見ですが、
やはり、非共有電子対間の角度が大きくなる＝水素間の角度が小さくなるのだと思います。
また、図を書いてみても・・・・
どのような図をどう書いて影響しないように見えたのか知りませんが、私は影響すると思います。

メタンの結合角が109.5度（109度30分）、もっと正確には109度28分になる理由はご存じですか？
３次元空間で４本の結合同士が最も遠くに離れようとした結果が、４本各々が109.5度の角度となるのです。
真空中に２価の酸素イオン（O2-)が存在し、その単原子イオンがｓｐ3混成を取れば、４つの非共有電子対はメタンと同じように109.5度の角度になります。
２価の陰イオンですが、４本の非共有電子対は等価です。
このイオンにプロトンが二つ付加し、電子の広がりが狭まり、反発力が低下すれば結合角は小さくなります。
この時、逆に残った非共有電子対間の角度は幾分広がると思います。
結合を細い線で書いた図で考えていませんか？
電子雲なので、もっと広がりを持って考えないといけないのではないでしょうか。
１点から風船が４方向に突き出ている。
その４本の風船はお互いに接触している。
その内の２本にさらに空気を入れてふくらます。
風船の径がふくらむことによって、ドンドン大きくなる。
そうすると、その２本は離れていきます。
はじめに４本は全て接触していました。
そして２本がふくらむことによって、残り２本は押しつけられてしまうことがイメージできませんか？
繰り返しますがメタンは４本が反発し合い、もっとも距離が遠くなるように109.5度の角度を４本各々が取り合っています。
ということは、２本が離れれば、他の結合とは109.5度よりも必ず近づきます。
２本だけが独立に動くなどということはあり得ないのです。

murakkusuさんには申し訳ありませんが、
＞図で書いてみても、非共有電子対間の角度変化が、水素間の角度変化に影響しないように見えてしまうのですが・・・。
これは、図の書き方が良くないのだと思います。
空間に広がっている電子雲全体で考えてください。
その中を質点状の電子が動き回っているとか、ある瞬間はどこにいるということは、今回ほとんど関係ないと思います。

でも、自分が納得できるまで考え込むことは良いことだと思いますよ。
量子力学や無機，有機化学の本などをよく調べるともっとイメージが分かるようになると思います。

お礼

何度もありがとうございます。まだすっきりはしませんが、皆さんのおかけで前よりは、全然わかってきました。表面的に考えすぎていました。もっと勉強していきます。
最後まで付き合っていただきありがとうございました。

回答No.5

psa29

水の構造において、非共有電子対が空間的な広がりを持っているためにＨ-O-Ｈの角度がメタンのＨ-C-Hの角度より小さくなることは、私やTAKUKUさんが説明したとおりだと思います。
立体化学において原子による立体障害や反発は、主にその原子の周りの電子（電子雲）の影響だと思っています。
原子の大きさ（例えばイオン半径）に比べ、原子核の大きさは非常に小さく、結局、原子の大きさとは、その周りの電子雲の大きさではないでしょうか。
電子雲、原子軌道などは近づいた原子同士で影響を及ぼし合うと思います。
その一例が結合を生成することです。
しかしながら、その軌道に電子が充満した場合、今回の非共有電子対など２つの電子がすでに占有した場合、パウリの排他則でその中には、もう電子が入り込むことは出来ません。
電子で満たされた軌道同士は反発すると思っています。
空間的に広がっている非共有電子対は、それだけ水素原子を排除しているのだと思います。
結局、私の説明もTAKUKUさんの説明も同じ事を言っているのだと思います。
非共有電子対よりも大きな電子雲をもった原子が酸素に結合すれば、その原子との反発力が一番大きくなるのだと思います。

補足

確かに、定性的にはいいのですが・・・。結局、非共有電子対間の角度が大きくなる＝水素間の角度が小さくなるっていうのが、いえてないような気がします。図で書いてみても、非共有電子対間の角度変化が、水素間の角度変化に影響しないように見えてしまうのですが・・・。すみません、しつこく聞いてしまって。

回答No.4

TAKUKU

数年前に大学で勉強したとき、私は非共有電子対は「かさが大きい」とならいました。今、分子模型を考えてみてください。(球が腕なしに、球と球が直接くっついているようなタイプ)
他の方がおっしゃるように、酸素がsp3混成するので、四面体型に結合できます。四面体のそれぞれ頂点に、水素２個と非共有電子対２対をくっつけるわけですが、No.3の方がおっしゃるように、非共有電子対は制限が少ないので空間的に広がっているので、今非共有電子対の球を用意したとすると、それは水素の球よりかなり大きいと考えられますね。そしてこの４個の球を正四面体状にとりつけるわけなんですが、非共有電子対の球が大きいので、正四面体型から少し歪み、水素原子がその影響を受けて結合角が小さくなると考えればどうでしょうか？

補足

ありがとうございます。
確かにその通りですね。矛盾はないように思われます。でも、No.3の方は、反発力(電気的力)で議論してますよね。できれば電気的な力のほうで解決したいです。
ちょっと質問なのですが、非共有電子対は球が大きいってのが、いまいちよくわかりません。確かに、電子が存在できる空間は共有結合に比べて大きいが、それと同時に、いろんなところに動けるって事だから、逆のことが起こりそうな気がします・・・化学初心者なんで、見当違いの質問でしたらごめんなさい。

回答No.3

psa29

水を形成している酸素原子はｓｐ3混成軌道をしています。メタンの場合の炭素と同じです。
４つのｓｐ3混成軌道のうち、2つが非共有電子対、２つが水素と結合します。
水素との結合に使われた電子対は酸素の原子核と水素の原子核とに挟まれていますが、非共有電子対は水素原子が存在しないため、結合に使われている電子対に比べ空間的に広がっています。
それ故、電子間の反発力は、非共有電子対同士＞非共有電子対-共有電子対＞共有電子対同士の順となります。
非共有電子対同士の反発力が大きいために水の結合角度はメタンの結合角度よりも小さくなります。
＞Ｈの反発力により少し広がり・・・という説明は何かの勘違いだと思います。

補足

回答ありがとうございます。
非共有結合が何で一番強くなるかも疑問ですが、それは置いておいて、なぜ非共有結合同士の反発力が一番大きいと、H-H間の角度が小さくなるかがよくわかりません。今、図を書いてみたのですが、非共有結合間の角度を少し大きくしたらして、どうなるか見ようとしたのですが、イマイチよくわかりません。お願いします。

回答No.2

fluorine

＃１です
＞非共有電子対も一本の手として見れてしまうって事ですか?
概ねそのとおりですが
「手として見る」と言うのは厳密には正しくないかもしれません
結合するわけではないですからね
（配意結合してオキソニウムイオンになるだろと言う話はとりあえず置いておきましょう）

sp3というのは電子の軌道ですから電子が充填されていればσ結合も非共有電子対もその軌道同士が相互作用（お互い離れようと反発）すると考えましょう

ただ非共有電子対よりも水素の方が原子がついている分だけ反発が大きいので
＞酸素OがSP3を取っていて、Hの反発力によって少し広がり
と言う説明を受けたのだと思われます

補足

ありがとうございます。大体わかりました。
最後にもう一つだけ補足させてください。
さっき教科書を見たら、SP3を見ると、間の角は109.5度となっていました。それに対して、水分子は、104.5度です。角度が小さくなっているってことは、引っ張り合ってるって事になりますよね?H同士だと、電荷は同じだから、反発するような気がするのですが・・・。意味がわからなくなってしまいました。H以外の周りの環境に影響されてなのでしょうか?

回答No.1

fluorine

＞炭素は取れるということは習った

メタン（CH4）で習ったのでしょうか？
メタンではsp3混成をとることで
4つの水素原子が等しく離れるような構造をとるわけですが
基本的に酸素でも同じです
水分子をつくる時、酸素の価電子は6ですから
酸素には2つの非共有電子対が存在します
つまりsp3混成をとることで
2つの水素分子と2組の非共有電子対が等しく離れるように構造をとるわけです
分子模型をお持ちでしたらメタンを作った後に
水素を2つとってしまうと水と同じ形になることがわかるかと思われます

補足

早速の回答ありがとうございます。
非共有電子対も一本の手として見れてしまうって事ですか?