化学結合の電子式の視覚化
著者 山辺 信一, 湊 敏, 酒井 浩美
雑誌名 奈良教育大学教育工学センター研究報告
巻 8
ページ 19‑30
発行年 1985‑03‑16
その他のタイトル Visualization of the electronic distribution of covalent bonds.
URL http://hdl.handle.net/10105/4589
山 辺 信 一・湊 敏・酒 井 浩 美
(教育工学センター)
Visualization of the electronic dhtribution of covalent bonds.
by
Shimchi Yamabe, Tsutomu Minato and Hiromi Sakai
Abstract
Visual materials of electronic distributions in molecules are made for chemistry Distributions are illustrated by the use of the perspective diagrams of the electron density and contour lines̲ These materials are demonstrated to undergraduates who do not major in chemistry. Although their responses to the drawings are overall positive, some corrections and improvements to be made are pointed out by them The educational significance of the visual tools for the microscopic world is discussed
Key words : covalent bond, visual material, and electronic distribution
I 研究員的
化学はもともと現象を扱う学問であるO ビーカーの中で色が変った、においが発生した等は具 体的にだれでもわかる。ところが近頃は微視的世界というか、個々の分子のふるまいを問題とす るようになってきた。これが教える方にとってみれば難物である。水1個が2等辺三角形の構造を していますと説明しても、聞く方にしてみれば半信半疑である。実物が見せられないから、虚構 のように受け取られても仕方がない。ところが現象に対する原理的法則の解説にはどうしても原 子、分子の話が要るOここに教材開発が重要な意味を持ってくる。最近、マイクロコンピューター
上での中和滴定や反応速度測定のシミュレーションがよく報告されている。これらは実験する前 に呈示しておいた方が教育上便利であるというだけであって、実験時問が充分であれば不要であ る。しかし、原子、分子の教材は便利だから要るのではないo絶対、必要なのであるO
今回、簡単な分子内の共有結合につき教材化を試みた。そして本学、理科系2、 3回生にそれ を使って反応を調べた。この試みの目標は2つある。 1つは、作成した教材の妥当性、説得力を 吟味すること。 2つ目はー教材を通して、学生達の化学結合の捉え方、意識を調べることである。
本稿で紹介される教材は、高校化学上級で使われるべきと考える。つまり、図1の黒矢印の筒
所である。それ以外はおのおのの教科書に記載されている内容の順番である。
物質の成り立ち(化学結合論) 高 校
原 子 と 電子 殻(周期表)
共有結合、イオン結合,金属結合
ルイスの電子式(電子対と結合)
=コ 分子内の電子分布(視覚図)
大 学 初 級
S、 p、 d、 f原子軌道とその方向性
混成軌道とその重なり方(6、7r結合)
分子の三次元的構造(立体モデル)
分子軌道計算による電荷分布
図1期待される化学結合論の教育プログラム。左下、右向き黒矢印が 今回教材化される。
Ⅱ 電子密度の概念の教材化
最も基本的な水素分子H2には2個の電子しかない.共有結合の性格を示すのに都合が良い。
高校化学では、電子を黒マルで示し、それが対で共有結合を形成すると説く。ルイスの電子式で
H : H
水素分子の ルイス電子式
ある。黒点2つがなぜ2つの原子核を結びつけるのか? 電子は粒子であり、
波動でもあるという2重性格を有している。左の表記法は粒子性を使ってい る。波動性を考慮すれば、結合性質がもう少し理解し易くなる。図2が作成 した教材である㌢鋭い柱のような物が2本立っている。この高さが密度を示 す。 2つの原子核間距離をRであらわすと、 Rの変化でそれの形が変る。 R 大では柱状の電子密度同志がはG羽虫立に存在している。 ,2つの水素原子であっ て、まだ水素分子の性質はない。 Rを徐々に小さくしていく。原子核の問に 電子密度が蓄積されていく。 R‑α74Åは水素分子での結合距離である。ここまでくると、もは や原子での柱状の密度ではない。分子内で、原子核2つをひっつける電子密度のひろがり方がよ くわかる。電子2個がR‑小にしたがい、空間的ひろがりを変えていく波動の性格が示されてい る。透視図と断面図の併用により、共有結合の本質を呈示しようと試みたわけである。
断 面 図
I I
I
JA ノくh
((㊨圃 ((㊨))Sfi s S i 、くココこ′
((:匂 ◎il.
O
R‑ 0.74A (平衡距離)
(}… O,
図2 水素分子内の電荷分布。透視図の縦方向は電子密度の大きさを 表わす。それを平面網目の面で切断すると、それぞれの下図の 等高線(断面電子分布図)が現われる。 1 A‑10‑旬。m。以後、
長さはすべてÅ単位。
今の話を拡張する。ヘリウム(He)原子は2個の電子を持つ。そして単原子気体であって、
Hezはできない. I子2分子と対照的であるo この原因を電子密度の形の変化で解説する.図3を 見るlo)図2と同様、 ‑リウム原子接近(Rを徐々に小さくしていく)での透視図と断面図である。
図1と比べて、 R‑3.OAでの2つの柱が高いO電子2個分である。 R‑小にしても柱状の電子0
密度のひろがり方は変らないOつまり、間に電子密度が蓄積されない。この結果を表現をかえて 調べる.図4%上半分で、もう1度R‑1̀5Åと1.0Aでの電子密度を描いたo下半分は「差」
を示した.電子4個のひろがり方の変化を見るのにはこれの方が良いO 「差」とは、相互作用
(干渉)しあっている密度から、 He原子の干渉のないそれを差し引いた成分である。網目状の 平面から上に出ている密度は、干渉で増加した分を示す。反対に、ぺjシでいる箇所は密度の減 少分で断面図では特に破線で播かれている。増加と減少を全部カキ集める(積分)と、当然ゼロ。
「差」の図で、水素分子形成の場合との相違がはっきりする。 2つの‑リウム原子はお互い接近 を嫌がっている。問の密度がかえって減少することは、反発を意味する He,を作らない、すな わち単原子気体である理由がはっきりとした。
透 視 図
断 "
"
﹂ 川
I .
三瀬 《桁
ミg こi ク
図3 単原子気体‑リウムで2つのHeを"無理〝に接近させると、電 子分布がどう変化するか?
差の電子密度
図4
図3のR‑1.50 Åと1.00Aでの2 つのヘリウム原子 間の電子密度。
「差の電子密度」
により間の成分が 減少したことを示 す。 「差」とは、
相互作用状態の電 子密度から、単に ヘリウム原子2つ が孤立した状態で のそれを差し引い た成分である。
Ⅲ ルイス電子式の視覚化
前節で、水素分子の共有結合を構成する電子2個分のひろがり方を定量的に示した。ここでは、
高校化学の教科書での表記法と併用してルイス電子式を表現する。図5は10個の電子を持っ分子 での共有結合に焦点をあてた20)構造式、分子構造、電子式の3つは教科書に載っている。下半分
0‑H
アンモニア
H‑N‑H
I M
逮構千分
電子式
団円BEa o全電子の分布
(電子10個)
o共有結合 における 電子分布 (・とⅩの
2個)
o孤立電子対 の電子分布 (・2個)
図5 10個の電子を持つ分子のいろいろな表記法。
の電子分布が作成した教材である。上から下へ化学結合論が詳しくなって行く過程である。電子 分布は断面等高線で密度の大小が示されてある。当然、内側の閉曲線の密度の方が大きい。電子
10個が分子骨格のまわりにまとわりついている様子が諒解される。それが6本の閉曲線であらわ されている。もちろん、もっと低密度の曲線が外側に措けるが省略してある。これらの外側の曲 線であればあるほど、円(実際は球)の形になっていく。よって電子分布図により、高校化学の
下のジレンマが解消できる。
分 子 構 造 論 水 は 2 等 辺 3 角 形
気 体 分 子 運動 論 分 子 は球 状
図6も同様にルイス電子式の視覚化である20)炭素‑炭素間の共有結合を扱った。
炭素一炭素問の結合
エタン H H
I I
構造式 H‑C‑C‑H
l 1
H H
H H
・* ・ォ
電子式 h:cOc:h
X・ X*
H H
O
H
CIC一本の 共有結合の 電子分布
上と見方が 異なるだけ で同じもの
エチレン アセチレン
蝣
>‑<"
H H
H‑C=C‑H
二 等誓
H,H
・Qo>c:
H'xHHiCgCIH
◇◇
・曾一恵‑
I
,)飽く・一二寧虹・ ・‑
図6 2つの炭素間の1本の共有結合のいろいろな表現
図5、図6いずれも図1の黒矢印の部分の教材化である。一
Ⅳ 化学反応における電子密度の変化
電子分布図の応用問題を1つ紹介する。アンモニア(NH.)と塩化水素(HCl)から塩化 アンモニウム(NH4 CDを生成する反応を調べる。
NH, HCl ‑ NH4Cl 気体 気体 固体
この反応の道筋は明らかである。 NH3の孤立電子対にHClのプロトンが接近する。図7のマ ルで各原子の動きが示してある02)反応の進行(R‑小)につれ、塩化水素の結合が弱く( r‑大) になっていく。この過程での、 NH3の孤立電子対の分布とHClの共有結合電子分布の変化を 調べる。まず、図の左側の孤立電子対の変化を見る HClが右側から接近する時、徐々にプロ
トンをNH3側に取り込んでいく様子がわかる N‑Hの共有結合を生成しようとしているので ある。
壷アンモニア。孤立酎対
日も(電子2個)
垂)・′:I
恥一一◎R=co r=rl‑275
‑ f>(A)一一一・ r(Åト一
・⑳一一一㊥ ご:::344
‑◎R‑1.4 r=1‑423
㊥ R=1122r = 1‑579
堅∴ 蝣蝣Hgdi:
(電子2個) O
e 10)
Q.
(妙一一・
め
C
O^0回門配
NH3 HCI NHI cr
図7 NH,+HCl ‑ NH4Cl反応での2個の電子密度の変化の様子
°
上から4つ目(R‑1.122A、r‑1.579Å)でNH4+が生成している。そのNIH結合に沿う 電子分布は、図5のアンモニアのN‑H電子分布とは少し異なる。 1価の陽イオン性のため、
NH4+の4つの水素上での電子密度減少が顕著にあらわれていることが原因である。次に図7右側 のHCl内の共有結合電子分布の変化を調べる。反応前(R‑∞)ではH‑Cl軸に沿い、ほぼ 均一に分布している.それが徐々にH+とCrに分極していくことがわかる。共有結合電子が塩 素上の孤立電子対に移行する過程である。反応系全体で28個(NH3が10個、 HClが18個)の 電子がある。そのうち、 NH3の孤立電子対の2個とHClの共有結合の2個の分布が示された。
その4個が反応に伴う結合交替を起す最も重要な電子である NH4+‑‑Cl の問はイオン結合と 言われる。しかし、対応する電子密度はゼロではない。そこにも共有結合成分が残っているとい
う意味である。
Ⅴ 化学教材に対する学生の反応
作成した教材を用いて、本学の学生の共有結合に対する認識調査した。対象は、昭和59年度前 期「化学概論」受講生103名である。彼らはほとんどが高校で「化学I」を履習してきているの みである。ルイスの電子式,分子の3次元的形をおぼろげながら知っている程度の学力を持っ。
さて図5、図7の電子密度のひろがりを見て、彼らがいかなる反応を示したか? アンケート調 査の結果を図8で棒グラフであらわした。 ①でまず理解度を見た。 2つの図に対し7‑8割が
「わかった」で好意的である。 @で、図5、図7を見て共有結合に対する印象が深くなったかど うか質問した。 「少しわかった」が殆んどであった。教材を呈示する側としては「よくわかった」
の割合がもう少し多いかと期待していたが、意外であった。図8のような3つの設問肢選択だけ では機械的過ぎ、あまり意味がない。次に、図5、図7で感じたことを素直に書かせた。 「共有
ア ン ケ ー ト 結 果 (総計103人)
①図5、図7の意味が各々理解で きたか。
わかった わから どちらとも ない いえない
よく 少し かえって わかった わかった わかりにくい 図8 2つの教材(図5と図7)に対する本学学生の反応
結合とは何かを150字以内で記せ。」と質問した結果である。いろいろな答が戻ってきた。それ らを要約すると、教材に対し肯定的、否定的と分類される。肯定的な意見[1] ‑ [17]ー否定 的なもの[1] ‑LIO]を列挙する。
教材に対する学生の肯定的意見
日] 化学結合の棒は電子密度等高線の尾根づたいにひいた線であることがわかったO [2] 手のようにひっついているのではなく、共有結合は電子の全体的な集りである。
[3] 共有結合とは原子の電子雲ができ、人間でいえば、同じ生活をするみたい。
[4] X‑‑H結合に沿う共有結合電子密度と孤立電子対の空間的広がりは異なり、後者はプロトンや陽イ オン性の電子の攻撃を受けやすくなる。
[5] 実際には、電子式で表される点のようなものではなく、ある広がりを持った雲のようなものである。
また、電気陰性度の違いによって、その分布も少しずつ異なるo [6] 棒で表すよりも異体的なイメージが浮んだ。
[7] 次元的な結合、それも特に空間のイメージがあるo [8] 共有結合は電子のとりあい。
[9] HCl結合が解ける様子が良くわかった。
[10] 今まで、結合は棒と言うより、ゴムのようなものだと理解していた。
[11] 双方の原子やイオンの最外殻電子が両者を内包するような軌道を形成する。これにより、共有結合 が成立する。
[12] 電子分布は各原子の種頬により、様々な形状が生ずるO [13] 構造式と電子式の具体的橋渡しになった。
[14] 今まで、化学結合と言えば原子と原子が連結器のように固定的・直線的に結びついているイメージ があった。
[15] 反応の進行につれ,結合が弱くなってゆき、片方は弱くなった結合を切り離し、さらにそれを取り 込もうとしているのが、電子密度変化により、よくわかる。
[16] 頑の中に結合が棒の形で焼き付いてしまっているようだO
[17] いくつかの原子と原子の問を活発な電子の動きによって、結びつけたものである。
教材に対する学生の否定的意見
[1] 電子分布の透視図がこぶのようになるのはなぜか。
[2] 共有にあずかる電子の軌道が重なって、一方にかたよった形になる。そのことと、図とが、直接的
﹂
co ‑^ LO CD
[ [ [ r L [
に結びついて理解できない。
イオン結合と共有結合の違いがわからない。 (水中でNHIとC1‑にわかれる。) 内容が大変難しく、理解できない。
この原稿を読んでも、化学結合は、わからないと思う。
図1の立体的な分布の表現は混乱をまねく。
+ HCI‑ NH4++Cl の場合、なぜ、 HClのプロトンがNH3に移動するのかわ
[8] 分子構造式との関連がつかみきれない。
[ 9] メタンの全電子分布でHが電子の外にあるのに共有結合電子分布ではなぜ内側にあるのか。
[10] どこの平面で切るか、立体的に示した方が良い。
これらの学生の反応を調べると、いくつか興味ある点に気付く。高校化学教育の問題点も浮きぼ りにされてくる。まず肯定的意見を見る [14]の「共有結合とは連結器と思っていた」は特に 象徴的である。ルイスの電子式で、電子が対を作る表現が強く頑にあるらしい。あるいは[16]
の「共有結合は棒と思っていた」は、分子構造での球、棒を使った教材の影響を受けている。い ずれも、電子による結合を非常に固い印象で考えていたことがわかる。電子の波動性に相当する 柔かみが伝わったとしたら、教材として一応の成功と言えるだろう。否定的意見に移る。内容的 にはぼ2通りに分れる。 1つは教材作成上の技術的ミスを指摘した意見[1] 、 [9] 、 [10]c
特に、 [9]の『水素原子Hが等高線の外側に突き出しているのは何故か』は鋭いコメシトで ある。図5のメタンの全電子分布に関する話である。 H2個が6本の円の外側にあるのは確かに まずい。まったく水素原子が裸で、原子核だけのように見える。もう少し低い密度等高線(すな わち大きな形の閉曲線)を描き、 H 2つを包みこむ図にすべきであった。 2つ目の否定的意見で [3]は内容に関するもの。図7の塩化アンモニウム生成反応は気相中での会合のつもりで呈嘉 した。ところが学生は水溶液中での現象を思っている。
NH4+または cr
◆
‑1十・・・一・‑.
言いかえれば、塩化アンモニウムの白色イオン結晶NH4十C1‑と水溶液中のイオン電離を混乱し ている。後者ではNH4+とC1‑がそれぞれ水分子に包囲されていて、イオン同志に何のつ ながりもない。図7のNH3とHClの会合過程は、いわば結晶成長の初期段階をあらわしてい る。水溶中のイオン電離平衡の話とはっきり区別するべきであった。
Ⅵ 議論と今後の課題
高校現場では原子、分子レベルの化学は難解と受け取られている。大きな誤解であって、教材
が揃っていないだけである。個々の分子の構造や反応の道筋等3次元的なひろがりを持つ対象は いくらでも教材化できる。幸い、マイクロコンピューターのソフトウエアの発達により、この種 のプログラムは容易に入手できる。電子分布の表現も数式は一際使っていない.図に慣れれば、
結合をあらわす成分が定量的に把握できる。それにより化学結合の正しい概念が理解できれば、
マクロ的な現象の解釈にいろいろ役立つはずである。今回、紹介した視覚教材(図2‑7)はい わば試作品である。不完全、不適切な所もあった。学生の教材に対する否定的意見の中でも指摘
された。これらの改良と、マイコン用のソフトウエアとして整備するのが今後の予定。会話型で、
直観的に分子構造や電子分布を勉強させることが目標である。
最後に本教材に対する学生の反響をまとめる。
(7)化学結合に対する考え方が、固定的なものから原子を包み込む電子雲のひろがる程度と変 更された。
(イ)化学反応につれて、結合が切れていく様子がわかった。
(ウ)反応において、どの場所が攻撃されるかの点に注意するようになった0
(I)教材作成上、細部にわたる注意が要求される。例えば、電子密度断面図と分子構造の形の 密接な対応。
図2‑図7の電子分布図は京都大学大型計算機センター VERSAプロッタ‑により作成し た。
引用文献
1 ) F第21回国立大学教育工学センター研究会』で口頭発表。宇都宮大学教育学部。昭和57年10月1日。
2 ) 『第25回国立大学教育工学センター研究会』で口頭発表O福井大学教育学部。昭和59年10月5日O
