大学 · 15分
s 軌道と p 軌道の混成：sp・sp²・sp³ 混成軌道
混成タイプを変えて、1つの s 軌道と p 軌道が直線・三角形・四面体方向を向く等価なローブに組み替わる様子を見る。
目的
各混成（sp、sp²、sp³）を分子の形と炭素化合物（エチン、エテン、メタン）に対応させる。
器具と試薬
炭素原子の1つの s 軌道と最大3つの p 軌道。「atoms」をオンにすると各混成ローブの先に結合相手原子が付く。
手順
- sp³ から始めて4つのローブを数え、回転させて の四面体を確認する。
- sp² に切り替えると3つのローブが120°で一平面に並ぶ。 の結合のようであり、残った p 軌道はその面に垂直と想像する。
- sp に切り替えると2つのローブが正反対を向く。 や の形である。
- 隣接原子の表示を切り替え、各ローブの軸が結合方向と一致することを確かめる。
観察すること
- sp は180°の直線、sp² は120°の平面三角、sp³ は109.5°の四面体——混成軌道は常にできるだけ離れて向く。
- 各混成軌道は反対側に小さなローブを残し、大きなローブが結合のできる場所に電子密度を集中させる。
- 混成軌道の数は常に混ぜた原子軌道の数に等しい：1s + 1p → 2、1s + 2p → 3、1s + 3p → 4。
解説
混成は原子の軌道を組み替えて、結合方向への重なりを最大化する等価な新軌道を作る。1つの s と 個の p を混ぜると 個の混成軌道が得られ、その理想形は対称性から決まる：直線形 sp、平面三角形 sp²、四面体形 sp³。混成に使われず残った p 軌道（sp では2個、sp² では1個）が二重結合・三重結合の π 結合を作る。これは一電子軌道から分子軌道法や Hartree–Fock による結合の記述への第一歩である。
ゆかりの化学者
バーチャル実験は直感をつかむための簡略化したモデルです。実際の実験や安全教育の代わりにはなりません。指導者なしに自宅で再現しないでください。