酸素は記号 O で表され、原子番号は 8 です。その電子配置は 1s22s22p4 です。 16族、すなわちカルコゲン族であり、周期表の第2周期に属します。 STP では、酸素原子が結合して O2 分子を形成します。それは二酸素と名付けられ、無色無臭です。それらの間の結合は本質的に共有結合であり、結合次数は 2 です。それは本質的に常磁性であり、結合角 180° の線形形状をしています。
O3で表されるオゾンとして知られる別の酸素分子があります。酸素の反応性の高い同素体です。
分子の形状を決定するモデル
分子の形状を記述するために使用されるさまざまなモデルがあります。
- 最も単純なモデルは、価電子殻電子反発理論 (VSEPR) です。これは、電子グループ、つまり孤立電子対、単結合、多重結合、単電子がクーロン力によって互いに反発するという事実に基づいています。分子の内部原子の電子グループ間の反発力が、分子の形状を支配します。
反発の次数は l.p.-l.p. で与えられます。> l.p.-b.p.> b.p.-b.p.
好ましい形状とは、反発が最小のものです。
たとえば、BeCl2 には 2 つの結合対の電子があります。そのハイブリダイゼーションは sp であり、結合角 180° で直線的です。ただし、SnCl2 には 2 つの結合対と 1 つの孤立電子対があります。このため、そのハイブリダイゼーションは sp² であり、結合角が <120° の V 字型です。
- 次の理論は、VSEPR に比べて進歩したもので、原子価結合理論 (VBT) と呼ばれていました。 2つの原子が互いに近づくと、原子核と電子が相互作用します。これらの相互作用のためにシステムのエネルギーが減少すると、化学結合が形成されます。
分子内の原子の価電子は、原子軌道 s、p、d、f または混成軌道に存在します。化学結合は、2 つの原子の半分満たされた原子価殻軌道が重なるときに形成されます。分子の形は、重なり合う軌道の形状によって決まります。
分子のハイブリダイゼーションを見つけるために使用される一般式があり、これを使用してその形状を見つけることができます:
H=1/2 (V+M-C+A)
ここで、H=ハイブリダイゼーションに関与する軌道の数、
V=原子価殻電子、
M=一価原子の数、
C =陽イオンの電荷、および
A=陰イオンの電荷。
例:NH3 =½( 5+3+0-0) =8/2=4;したがって、ハイブリダイゼーションは sp3 です。これらの 4 つの軌道は、四面体配列を形成するように方向付けられています。
O2 分子:2 つの不対電子があり、オクテットの完成には 2 つの電子だけが必要です。他の酸素原子は 2 つの電子を共有できるため、不対電子はありません。不対電子がない場合、分子は反磁性であると言われます。反磁性材料は、磁場では反発されます。
不対電子がある場合、分子は常磁性です。常磁性体は磁場に引き寄せられます。
VBT によると、O2 は反磁性であると言われています。しかし、O2 は外部磁場に引き寄せられることが実験的にわかっています。 VBT はこの異常を説明できませんでした。
- 次の理論は分子軌道理論 (MOT) です。この理論は、分子全体を単位と見なします。原子軌道のように、分子の核の周りには分子軌道があります。それらは、匹敵するエネルギーの原子軌道の組み合わせによって形成されます。 2つの原子軌道が分子軌道を形成するとき、一方の分子軌道はエネルギーが低く（結合軌道）、もう一方はエネルギーが高くなります（反結合軌道）。それらは、重なっている原子軌道の建設的および破壊的な干渉のために、それぞれ形成されます。
これで、MOT を使用して O2 分子の磁気的性質を見つけることができます。構成は次のように記述できます。
(σ1s² σ*1s²) (σ 2s² σ* 2s²) (σ 2pz ²)( π 2px² )(π2py²)( π*2px ¹)(π* 2py¹)
上記の構成から、別々の反結合 π* 軌道に 2 つの電子があることがわかります。これらの不対電子のために、酸素分子は、以前の理論から予想される反磁性ではなく、本質的に常磁性です。
次の関係から結合次数を計算することもできます:結合次数 =½ [結合軌道の電子数 - 反結合軌道の電子数]
したがって、債券次数 =½ [ 8-4] =2
これは、2 つの酸素分子の間に二重結合が存在することを意味します。
結論
酸素分子の式はO2です。これは、2 つの O 原子が二重結合で結合していることを意味します。 VSEPR 理論と VBT 理論で示されるように、直線的な形状をしています。結合角は180°です。しかし、これらの理論は、不対電子が存在しないため、酸素分子の磁気的性質が反磁性であることを誤って示していました。次に、結合と反結合の分子軌道の概念を持つ分子軌道理論が適用されました。 2 つの π* 軌道に存在する電子は対になっていないことがわかりました。これらの不対電子の存在により、O2 は本質的に常磁性であることが判明しました。これは、液体酸素が外部磁場に引き寄せられる理由を説明しています。
結合次数も 2 と計算され、2 つの酸素原子間に二重結合があることを示しています。
