今回はタイトルに関連した、酢酸ＣＨзＣＯＯＨは一体どの様な構造をしているのか、何故弱酸と呼ばれているのか等につきまして、まずは自由にイメージして頂こうかなと思います。今まで観えなかったものが少しずつ観えて来る様になると思いますので、是非思う存分イメージを働かせて下さい。
「前代未聞！？弱酸のｐＨ＆ｐＯＨを制覇する術(すべ)、此処に在り！」
の記事を御覧頂いて、知識として活用されたらと思います！
それではスタート致しましょう！
１．１価の酸：酢酸ＣＨзＣＯＯＨとは？
別記事で紹介致しました「解の公式」と同様、酢酸ＣＨзＣＯＯＨを１つとりましても、化学に関するありとあらゆる基礎がびっしり詰まっていますので、全部とはいきませんが、関係性のあるものを少しずつ観ていきましょう。
記事中に聞いた事のない名称等が出てきた場合には、「こういったのもあるんだ。」くらいのイメージでよろしいですのでお気軽にお付き合い下さい。また同じ意味でも、異なった名称として扱われている場合もありますので、こちらの方もインプットされたらと思います。
まず溶質(物質の三態：個体、液体、気体であり、ここでは酢酸の事)が溶媒(液体ですが、ここでは水の事)に溶解し(溶け込んで)、溶液(酢酸が水に均等に分散した酢酸水溶液の事)になります。
この電離した水素イオン：Ｈ^+に成りうるカルボキシ基：－ＣＯＯＨ内の水素原子：Ｈを価数と呼び、水素原子：Ｈ１個＝１価として、酢酸は１価の酸と呼ばれています。ですが、弱酸ですからあまりＨ^+(プロトン)を放出したがりません。この事を「酢酸は弱酸だから！」だと簡単に考えがちですが、皆さんには特にインプットしておいて頂きたい重要な事でもあります。
「※ つまりＨ^+が電離しても、陰イオンである酢酸イオン：ＣＨзＣＯＯ^-として単独で安定化出来る！」という事です。当たり前の様ですけど、これが全ての理由だと言っても過言ではないと思いますので、インプットしておいて下さい！】
この事に付きましては、また後程詳しく触れていきたいと思います。
さて、一般に酢酸の様に、極僅かに水中で電離(水溶液中で、陽イオン［カチオン］：＋と、陰イオン［アニオン］：－、とに分離する現象で、ここでは酢酸ＣＨзＣＯＯＨが、陽イオン：Ｈ^+＝水素イオンと、陰イオン：ＣＨзＣＯＯ^-＝酢酸イオンとに別れる事を指します)する物質を、(弱)電解質と呼んでいます。
因みに、分子式がＣ6Ｈ12Ｏ6の糖類である単糖類のグルコース(ブドウ糖)、フルクトース(果糖)、ガラクトース(脳糖)、分子式がＣ12Ｈ22Ｏ11の二糖類のスクロース(ショ糖)等は、非電解質と呼ばれ、電離しません。
つまり、陽イオン(＋)と陰イオン(－)になる事が出来ないという事です！が、分子内にヒドロキシ基：－ＯＨを所有しているので、水には良く溶ける性質(親水性)を持ち合わせており、水に良く溶けて水分子に囲まれている水和状態にあります。
これは炭素原子：Ｃが２つの酸素原子：Ｏとσ結合(単結合)し電気陰性度の差により２つのＯが負(－)に、Ｃが正(＋)の電荷に偏っている事と、２つのＯの非共有電子対が関係している事が要因の１つだと思われます！
※ 唯一スクロースだけは、「－Ｏ－ＣＨ－ＯＨ－」を所有していないためにアルデヒドが生成されず還元性は示しません！】
「１．※ ケトン基：Ｒ－Ｃ(＝Ｏ)－Ｒ′内の炭素原子：Ｃが正(＋)に帯電(※ 電子を失った炭素陽イオン：Ｃ^+ではない事に注意する！)していると考えられる。重要なのはそのＣ(＋)の隣に炭化水素基：Ｃ－Ｈが存在し、またアルデヒド基：－ＣＨＯが形成された隣にも炭化水素基：Ｃ－Ｈが存在している事である！
この事はＣ＝Ｃ間に二重結合によるπ電子が存在する事と深い関連性があり、このπ電子を水素イオン：Ｈ^+が活用する事によって平衡状態が保たれていると考えても過言ではない！」
「２．Ｒ－ＣＯ－ＣＨ2ＯＨの構造は分子中での平衡状態をとり、平衡時には外部からの原子またはイオンの影響は受けない！」
「３．平衡時には、ケトン基：Ｒ－Ｃ(＝Ｏ)－Ｒ′とヒドロキシ基：－ＯＨとが交互に生じ、また別なヒドロキシ基：－ＯＨとアルデヒド基：－ＣＨＯとが交互に生じる！」
等が挙げられます！
また平衡状態にあるＲ－ＣＯ－ＣＨ2ＯＨのケトン基：Ｒ－Ｃ(＝Ｏ)－Ｒ′と、ヒドロキシ基：－ＯＨが、－Ｃ－ＯＨとして結合している炭素原子：Ｃはどちらも正(＋)に帯電していると考えられるために、少々酢酸イオンＣＨзＣＯＯ^-の様な電子の移動による共鳴(※ 原子自体の移動はありません！)と似た様な反応が起こると考えられます。
よって、ここからフルクトース(果糖)を中心に考えて、平衡状態の中でどの様にして還元性のあるアルデヒド基：－ＣＨＯが生成されるのかをイメージして頂いて、酢酸イオンの共鳴と呼ばれるものと見比べてもらえたらと思います！】
１－１．フルクトース(果糖)の平衡状態におけるアルデヒド基：－ＣＨＯ生成のイメージ！
［２］のヒドロキシ基：－ＯＨの構造から、［３］のアルデヒド基：－ＣＨＯが生じる平衡は、［１］のケトン基：Ｒ－Ｃ(＝Ｏ)－Ｒ′構造から［２］のヒドロキシ基：－ＯＨ構造が生じる反応と真逆的の様な関係にあると言えます！
また描き方が極端で解りづらいかもしれませんが、［１］と［２］、［２］と［３］の平衡状態を分けて考えて、電子の動きと、水素イオン：Ｈ^+がπ結合によるπ電子を利用し分子内を平衡移動するイメージとして大まかに書いて試ました。
最終的には［１］⇔［２］⇔［３］の平衡状態によってアルデヒド基：－ＣＨＯが生成し還元性を示します！】
［２．］(４)で共有結合を形成しているＣ－Ｈ間の２個の電子も、(１)のＣ(＋)の影響によってＣ(＋)の方に引き付けられ、σ結合(単結合)であった(５)のＣ－Ｃ間にπ結合が加わる中央上：［２］の(９)の二重結合Ｃ＝Ｃを形成する。この時、２つのＣ原子がオクテット則(８電子則＝自分の電子４個＋相手の電子４個＝８個の電子)を満たすため、Ｃ－Ｈの水素原子：Ｈが(６)の水素イオン：Ｈ^+として脱離する！
また実際には(１)のＣの方は、二重結合により電子２個がオクテット則を上回っているため、(２)の二重結合内のπ電子１個が完全にＯ側に移動し、(３)のＯ^-として負(－)に帯電し、［２］の状態でオクテット則を満たす事になり、脱離した(６)のＨ^+がこれに配位結合し［２］の(７)のヒドロキシ基：－ＯＨが形成される。まずこれらを左端上：［１］と中央上：［２］の平衡状態としてイメージして下さい！
［３．］次に中央上：［２］の(８)の炭素原子：Ｃは、(７)のヒドロキシ基：－ＯＨのＯから引き付けられ正(＋)に帯電しているため、ヒドロキシ基：－ＯＨのＯの非共有電子対を１個引き付け再び右端上：［１］のケトン基：Ｒ－Ｃ(＝Ｏ)－Ｒ′である二重結合を形成すると、正(＋)に帯電するためこれと反発して水素原子：Ｈが水素イオン：Ｈ^+として弾かれる。このＨ^+が(９)の二重結合Ｃ＝Ｃ間の１個のπ電子に配位し、再び(１０)の炭素原子：Ｃと共有結合し右端上：［１］の(４)のＣ－Ｈを形成し元の構造［１］に戻り、今度は平衡が左方向の中央上：［２］へ移動し、後はそれぞれが繰り返しするイメージです！
［４．］もう１つの左端下：［２］から始まる平衡は、(１１)のヒドロキシ基：－ＯＨが(１０)の炭素原子：Ｃを引き付け正(＋)に帯電していると考えられ、Ｃ(＋)がヒドロキシ基のＯの非共有電子対(１２)を引き付け二重結合を形成し、電子を引き付けられたＯが正(＋)に帯電しＯ(＋)となり、これに反発して水素原子：Ｈが水素イオン：Ｈ^+として弾かれ脱離する。このＨ^+は(９)の二重結合Ｃ＝Ｃ間のπ電子の１個に配位し、中央下：［３］の(１３)のＣ－Ｈを形成する。この時［３］の(１４)のアルデヒド基：－ＣＨＯが生成し還元性を示します！
［５．］中央下：［３］では、生成したアルデヒド基：－ＣＨＯのＯに(１６)のＣが引き付けられているため正(＋)に帯電し、これが(１３)のＣ－Ｈの共有結合を引き付け再び二重結合であるπ結合を形成し、水素原子：Ｈは水素イオン：Ｈ^+として弾かれアルデヒド基：－ＣＨＯの二重結合内の(１５)のπ電子に配位し元の右端下：［２］の(１１)のヒドロキシ基：－ＯＨに戻る！
また、このπ電子は(１６)のＣ(＋)が右端下：［２］の(９)の二重結合によってオクテット則を上回ったため、アルデヒド基：－ＣＨＯの二重結合内のπ電子１個がアルデヒド基：－ＣＨＯのＯ側に完全に移動し負(－)のＯ^-に帯電する原因となるπ電子(この時右端下：［２］の(１１)、σ結合のヒドロキシ基：－ＯＨに戻ります！)です。後は先程と同様にそれぞれが繰り返されるイメージです！
なお、単糖類に付きましては、
「似た者同士！グルコース、フルクトース、ガラクトースの平衡状態に迫る！」
の記事の方で、さらに詳しく紹介してありますので是非御覧下さい！
［２］：※ 銀鏡反応(銀(Ⅰ)イオンである２個のAg^+のそれぞれの電子の酸化数：＋１がそれぞれ電子１個ずつを受け取り還元され、試験管内に銀：２Agが析出し銀鏡が生成する！) の２通りがあります。２つの水溶液はそれぞれ加熱し、さらに水酸化物イオン：ＯＨ^-が存在する塩基性の条件下にある事が必要となります！ ［１］：※ まず、フェーリング液の還元については、酒石酸イオン２分子が銅(Ⅱ)イオン：Ｃu2^+と錯イオンを形成するそうです。錯イオンを形成する事で、 ２Ｃu2^+ ＋ ４ＯＨ^- → ２Ｃu(ＯＨ)2 ↓ 銅(Ⅱ)イオンが青白色の水酸化銅(Ⅱ)：Ｃu(ＯＨ)2として沈殿しない様に、またアルデヒド基：－ＣＨＯから電子を受け取りやすい様になる事で銅(Ⅱ)イオンが還元されるそうです！ ［２］：※ 銀鏡反応ではフェーリング液同様に、還元剤のアルデヒド基：－ＣＨＯや、酸化剤の銀(Ⅰ)イオンの半反応式が存在しますが(硝酸銀水溶液に過剰なアンモニアを加える事が重要になります)、銀鏡反応については次の様に考えると解りやすいのではないかと思い、自分なりの反応式を書いてみる事にしました。 ［１.］２AgＮＯз ＋ ２ＮＨз ＋ ２Ｈ2Ｏ → ２Ag^+ ＋ ２ＯＨ^- ＋ ２ＮＨ4ＮＯз(２ＮＨз ＋ ２Ｈ2Ｏ ⇔ ２ＮＨ4^+ ＋ ２ＯＨ^- より、なお生成した硝酸アンモニウム：ＮＨ4ＮＯзは、完全に電離したイオンの形、ＮＨ4^+とＮＯз^-の状態にありますので、銀(Ⅰ)イオン：Ag^+の還元には影響ありません！) ［２.］２Ag^+ ＋ ２ＯＨ^- → ２Ag(ＯＨ)(一旦、不安定な水酸化銀(Ⅰ)が生成される！) ［３.］２Ag(ＯＨ) → Ag2Ｏ↓ ＋ Ｈ2Ｏ(すぐに褐色の酸化銀：Ag2Ｏが沈殿する！) ［４.］Ag2Ｏ ＋ ４ＮＨз ＋ Ｈ2Ｏ → ２〔Ag(ＮＨз)2〕^+ ＋ ２ＯＨ^-(アンモニアによって沈殿は溶けて、錯イオンのジアンミン銀(Ⅰ)水酸化物：２〔Ag(ＮＨз)2〕ＯＨが生成する！) ［５.］Ｒ－ＣＨＯ ＋ ２〔Ag(ＮＨз)2〕ＯＨ → Ｒ－ＣＯＯＨ ＋ ２Ag ＋ 4ＮＨз ＋ Ｈ2Ｏ(加熱するとアルデヒド基：－ＣＨＯが酸化され、銀：Agに還元され析出し銀鏡が生成する！) この様に考えてみますと一連の流れが観えてくるのではないでしょうか？結局基本は正(＋)と負(－)の反応であり、これに加え電子の移動が重要なんですね！これらの事を踏まえて再度酢酸について考えていきましょう！ 酢酸がＨ^+をあまり放出しない原因に、電気陰性度(原子と原子とが互いに余っている電子＝不対電子同士を引き付ける強さの度合いの数値の事で、余っている不対電子同士の結合を共有結合と呼びます)の差があります。 前述しましたが、酢酸が所有する水素原子：Ｈを、水素イオン：Ｈ^+として放出する部分は、官能基であるカルボキシ基：－ＣＯＯＨと呼ばれる中の、ヒドロキシ基：－ＯＨ(アルコール類の、－ＯＨではありません！)の部分です。この：－ＯＨから水素イオン：Ｈ^+が電離します。 このカルボキシ基：－ＣＯＯＨが水素イオンＨ^+を放出し(この時、水分子Ｈ2Ｏ内の酸素原子：Ｏが本来所有する電子２個が１対のペアの非共有電子対として２組あり、その内の１つのペアである非共有電子対によって正(＋)に帯電したＨ^+と配位結合し引き付け、オキソニウムイオン：ＨзＯ^+が生成されます)、酸性という液性が決定されます。 仮に水分子がＨ^+を奪う事が出来ても、すぐに取り返され、また奪い返し、またすぐに取り返されるの繰り返し。だから中々電離出来ない！」といった様なイメージでしょうか。 「※ また酢酸を構成している炭化水素基(炭素原子：Ｃと水素原子：Ｈから構成されている原子団)と呼ばれるメチル基：ＣＨз－の方の電気陰性度は、［炭素原子：Ｃ(２.５)＞水素原子：Ｈ(２.１)］で炭素原子：Ｃが［０.４大きい！］ものの、極性分子(電気陰性度の大きい原子は僅かに負電荷δ－：デルタ・マイナスに、電気陰性度の小さい原子は僅かに正電荷δ＋：デルタ・プラスに帯電した、共有結合に電荷の偏りがある分子の事)としては、電気陰性度の差が大き過ぎるという程ではないと言えます！」 因みに、塩化水素分子：ＨＣｌは、「塩素原子：Ｃｌ(３.０)＞水素原子：Ｈ(２.１)」と、塩素原子：Ｃｌの方が「０.９」と、ＣとＨとの差「０.４」に比べ、互いの水素原子：Ｈとの電気陰性度の差はだいぶ大きい事が解ります。 この事より、酢酸の「メチル基：ＣＨз－」は、炭素原子：Ｃと、水素原子：Ｈは電気陰性度にあまり差がないために互いを引き付ける力が強く(メチル基：ＣＨз－は全てσ結合です)、水素イオン：Ｈ^+が電離しないと考えられます。一方の塩化水素分子：ＨＣｌは、電気陰性度の差が「０.９」と大きいため、ほぼ水中で完全電離します。 ただし、これより電気陰性度の差がはるかに大きいフッ化水素：ＨＦは、「１.９」程度、フッ化カルシウム：ＣaＦ2「３.０」程度等と電気陰性度の差は数値的に大きいのですが、水中ではあまり電離しません！この事から、 【※ もちろん電離するおおよその数値は重要ですが、電離する数値の範囲から、電離する・しないを判断する前に、「※ 結合している物質同士を良く観察して頂くと、ほどほどの電気陰性度の差がイメージとして段々と湧いてくる！」と思いますので、これによって電離するかしないかを心掛けて予想するのも良いかもしれませんね！これとっても大事！】 酢酸ＣＨзＣＯＯＨ内のメチル基：ＣＨз－からは水素イオン：Ｈ^+は放出されない事が解りました！今度は、酢酸の構造なのですが、結構複雑な構造になっています。が、１つ１つ理解していけば大まかな構造がイメージ出来ますので、皆さん自由にイメージしてみましょう！ 「２.二重結合であるカルボニル基：－Ｃ(＝Ｏ)－内の１結合目の２原子間でのσ結合！」 「３.二重結合であるカルボニル基：－Ｃ(＝Ｏ)－内の２結合目のπ(パイ)結合と呼ばれる原子核から離れた軌道(のイメージ)であり、原子核からのクーロン力(引力)の影響をさほど受けない電子である事から、π(パイ)電子と呼ばれる。 イメージとしては、既に負(－)に帯電しているσ結合が存在しているために、π電子がもう１対のσ結合を形成しようとすると、σ結合の電子と反発仕合い、結局反発が避けられる原子核から離れた軌道空間を分散し飛び回るしかないと言う様なイメージ。 俗にπ電子が非常に反応性に富む(＝電子を奪われ易い)と言われるのは、原子核からのクーロン力の影響をさほど受けないために、電子を容易に奪われ易いためである！※ π電子は、後述する有機化合物の不飽和結合(二重結合、三重結合)に大きく関与している！」 「４.５.電子吸引基であるカルボニル基：－Ｃ(＝Ｏ)－による二重結合のσ結合の電子と、π結合のπ電子を、電気陰性度の差によって、酸素原子：Ｏ側に強く引き付けている状態(＝誘起効果)を表している。このために、Ｏは負(－)に帯電し、炭素原子：Ｃが正(＋)に帯電している(負電荷の偏りが一方的にＯ原子に偏っており、これを分極と呼ぶ)。 この正(＋)に帯電したＣが酢酸の電離に大きく関与している！またカルボニル基：－Ｃ(＝Ｏ)－のＯ原子の結合状態は、二重結合によるσ結合とπ結合、それにＯ原子が本来所有する☆２つの非共有電子対も共有結合としてみなされているためにsｐ2混成軌道となっている！」 「６. ４.と５.により、炭素原子：Ｃが正(＋)に帯電している状態を表している！」 「７.酸素原子：Ｏは本来２つの非共有電子対(ローンペア)を所有しているため、このローンペアも混成軌道と呼ばれる軌道に参加しているとみなされている。酢酸分子ＣＨзＣＯＯＨ内には、酸素原子：Ｏが２つ存在するために、カルボニル基：－Ｃ(＝Ｏ)－と、ヒドロキシ基：－ＯＨの２箇所に、それぞれ２つずつのローンペアが存在して軌道を形成している事になる！」 電子殻に収容可能な電子数(＝２n^2の計算式)により、それぞれ、Ｋ殻(n＝１＝☆１番目の電子殻より)：２×１(＝n)^2＝２(個)、Ｌ殻(n＝２＝☆２番目の電子殻より)：２×２(＝n)^2＝８(個)の電子が収容可能です。 これを電子の軌道として考慮すると、Ｋ殻に２個の電子を収容する球形の１s軌道、Ｌ殻には２個の電子を収容する同じく球形の２s軌道１つ & ６個の電子を収容する３つの８の字型(x、ｙ、z軸の３つの軸が互いに直角に交差し、x、ｙ軸を平面上に、z軸が垂直の３つ)の２ｐ軌道が存在しています！ 炭素原子：Ｃは１s軌道に２個の電子、２s軌道には価電子２個、平面上にある２ｐ軌道の２ｐx軌道に価電子１個と２ｐy軌道に価電子１個、垂直である２ｐz軌道には電子０個の、合計電子４個(価電子)を所有しています！ 「※ 共有結合出来る電子の数を原子価と言いますが、価電子の数とは意味が異なりますので再確認して下さい！Ｃは、価電子＝４、原子価＝４と同じですが、窒素：Ｎ等の様に、価電子＝５、原子価＝３(※ 不足分の２個の電子は、非共有電子対の数で、他の原子も非共有電子対を持つと電子の数が一致しない場合があります！)といった電子の数が異なる原子も存在しています！」 【〔２〕：まず、Ｃの２ｐ軌道に結合電子(結合する原子の電子)が入って来ると、２s軌道の電子２個の内の１個が２ｐ軌道の２ｐz軌道に昇位(移動)し、２s軌道には１個の電子が残ります！】 【〔３〕：次に、２ｐ軌道の３つの軌道と、２s軌道に残っている電子１個がσ結合(単結合)する数によって、混成軌道の種類が決定します。この時σ結合した２s軌道と、同じくσ結合した２ｐ軌道のいずれかの軌道が混じり合い軌道を編成しながら、２ｐ軌道と２s軌道のエネルギーとの間に、新しいエネルギーの安定した混成軌道が生じます！これによって、２s軌道の電子は完全に０個となり無くなります！】 また、非共有電子対を所有している原子は、非共有電子対を原子間同士の結合とみなした場合(酢酸のＣ－ＯＨ等です)、混成軌道の形に似た軌道を形成する分子(sｐ3混成軌道の正四面体構造に近い、水：Ｈ2Ｏ、アンモニア：ＮＨ3等)も存在します！】 これらの事を考慮しながら炭素原子：Ｃを中心とした代表的な混成軌道である、［1］メタン分子：ＣＨ4、［2］エチレン分子：Ｃ2Ｈ4、［3］アセチレン分子：Ｃ2Ｈ2をイメージしていきましょう！ メタン：ＣＨ4は、鎖状型(円形的環を形成しない)の鎖式☆飽和☆炭化水素でアルカンと呼ばれ、正四面体構造(※ 正三角形４つ。ピラミッド型の紅茶のティーバッグをイメージして下さい！)です！ なおアルカンのメタン：ＣＨ4等は、ハロゲンである塩素：Ｃｌ2、臭素：Ｂr2と共に、光を当てる事によって置換反応を起こす事が出来ます。置換反応の例としては、メタン：ＣＨ4の様な飽和化合物内の原子・原子団の※σ結合を破壊(Ｃ－Ｈ間のσ結合を破壊)して他の原子・原子団に置き換わり置換体となります。 例として、メタン：ＣＨ4と塩素：Ｃｌ2に光を当てると、水素：Ｈと塩素：Ｃｌが置換し置換体が生じ、置換体が生成する度に塩化水素：ＨＣｌが生じます！】 メタン：ＣＨ4→(光：＋Ｃｌ2／－ＨＣｌ) →クロロメタン：ＣＨ3Ｃl→(光：＋Ｃｌ2／－ＨＣｌ) →ジクロロメタン：ＣＨ2Ｃｌ2→(光：＋Ｃｌ2／－ＨＣｌ) →トリクロロメタン(クロロホルム)ＣＨＣｌ3→(光：＋Ｃｌ2／－ＨＣｌ) →テトラクロロメタン(四塩化炭素)：ＣＣｌ4、まで置換されます。 【※ 結局、飽和状態のメタン：ＣＨ4にはπ結合による反応性の高いπ電子は無いので付加反応は起こりません！】 Ｃを中心に混成軌道を完成させるには、「※ Ｃの１s軌道は、３つの混成軌道を編成する場合に直接関与していないものとして、全ての混成軌道のＣの１s軌道は考えない！」事にします。価電子４個を原子価として共有結合(σ結合)させる事から考えていきます。 sｐ3混成軌道を考える場合、Ｌ殻のＣの２s軌道の電子２個と、２ｐ軌道の２ｐx軌道に電子１個、２ｐy軌道に電子１個、２ｐz軌道には電子が無く０個！、合計４個の価電子が原子価として４つの水素原子とσ結合を形成し完成します。 この電子０個の２ｐz軌道が、２s軌道から電子１個を受け取り混成軌道に参加し、同じく２s軌道に残った電子１個も混成軌道に参加して、sｐ3混成軌道が形成されます！ (Ⅰ)：まず、相対する水素原子：Ｈの電子が２ｐ軌道内に入って来ると、２s軌道の電子１個が２ｐ軌道の２ｐz軌道に昇位(＝励起＝電子が飛び移る事)し、２ｐz軌道に電子１個が生じます。これで２s軌道と、２ｐ軌道：２ｐx・２ｐy・２ｐz軌道の３つ全てに電子が存在している事になって、炭素原子：Ｃと、４個の水素原子：Ｈとσ結合を形成する事が出来ます。ですが、このままでは軌道の位置が２s軌道と２ｐ軌道３つとバラバラであり、エネルギー的に不安定だと考えられます！ (Ⅱ)：そこで互いに反発を避ける様にメタン分子：ＣＨ4を形成するための軌道編成が行われ、２s軌道のエネルギーと、２ｐ軌道のエネルギーとの間に新しいエネルギーを持つ互いに反発する事のないＣ原子を中心とした安定した正四面体の４つの新しい軌道が形成されます。これがsｐ3混成軌道になります！ エチレン：Ｃ2Ｈ4は二重結合を形成している鎖式★不飽和★炭化水素でアルケンと呼ばれます。二重結合のＣ＝Ｃ間の１本はσ結合、もう１本はπ結合、そして２つのＣ－Ｈ間にそれぞれ１本ずつのσ結合が２本あります！ ２つの正三角形の頂点を平面上に少し重ね合わせた様な構造で、結合角度(Ｈ－Ｃ－Ｈ間、２つのＨ－Ｃ－Ｃ間)は大まかですが、全て約１２０°です！ この不飽和結合(二重結合内にπ電子２個)を他の原子・原子団が容易に断ち切り、そこに他の原子・原子団が結合して、アルカンのエタン：Ｃ2Ｈ6が生成する付加反応(［１］エチレン：Ｃ2Ｈ4と水素：Ｈ2を反応させる場合触媒を用いますが、［２］エチレン：Ｃ2Ｈ4とハロゲン単体である塩素：Ｃｌ2と臭素：Ｂr2の反応は触媒無しで良いとされていて、それぞれ１，２－ジクロロエタンと１，２－ジブロモエタンが生成します)が起こります！」 ［１］★アルケン／エチレン：ＣＨ2＝ＣＨ2 ＋Ｈ2 → (触媒に白金：Ｐtかニッケル：Ｎi) → ☆アルカン／エタン：Ｃ2Ｈ6 ［２］ＣＨ2＝ＣＨ2 ＋ Ｃｌ2(Ｂr2) → ＣＨ2Ｃｌ－ＣＨ2Ｃｌ(ＣＨ2Ｂr－ＣＨ2Ｂr) さらに、分子量の小さいエチレン：Ｃ2Ｈ4(単量体＝モノマー)から分子量の大きいポリエチレン(重合体＝ポリマー)、同じく分子量の小さいプロピレンＣ3Ｈ6から、分子量の大きいポリプロピレンとして高分子化合物が生じる反応を重合、付加反応による重合を付加重合と言い、やはり二重結合のＣ＝Ｃ間のπ結合を断ち切って生じる反応です！ 結局★アルケンの不飽和★とは、Ｃ＝Ｃ間の二重結合内のσ結合ではないπ結合が他の原子や原子団に容易に断ち切られ、付加反応が生じる事になります！Ｃ－Ｈ間でσ結合を形成する☆飽和化合物のアルカンによる置換反応と、Ｃ＝Ｃ間の二重結合の内のπ結合が断ち切られ付加反応が生じる★不飽和化合物のアルケンとのおおよその違いがイメージ出来たのではないでしょうか？ あとエチレン：Ｃ2Ｈ4でイメージしにくいのが、２ｐ軌道に残されたπ結合によるπ電子の軌道の位置です。σ結合の３つは平面上にありますが、π結合によるπ電子は２ｐ軌道の２ｐz軌道と考えられ、Ｃ＝Ｃ間の「二重結合：＝」の１本がπ結合のπ電子として、正三角形の平面に対して垂直に２本立っており、２つのＣ原子の原子核から離れた空間をクーロン力に引き付けられながら分布しているといった様なイメージです！ つまり、sｐ2軌道(２s軌道と２ｐ軌道との間の新しい軌道＝２s軌道＋２ｐx軌道＋２ｐy軌道)はx、ｙ軸の平面上にあり、あと２ｐ軌道に残されたz軸の２ｐz軌道だけがＣ＝Ｃ間のσ結合に逆らって垂直に２本立っているという様なイメージです！ アセチレン：Ｃ2Ｈ2は三重結合を形成している角度１８０°の直線型の鎖式★不飽和★炭化水素で、アルキンと呼ばれます。直線上のＣ－Ｈ間は１本のσ結合、三重結合の「Ｃ≡Ｃ間」は直線上の１本のσ結合と、２本のπ結合から形成されています！ z軸の１本のπ結合は直線上に対して垂直の２ｐz軌道、ｙ軸のもう１本のπ結合は２ｐy軌道として反応性の高い軌道を形成しています！ ３ＣＨ≡ＣＨ → Ｆe(触媒) → Ｃ6Ｈ6 sｐ2混成軌道の１本のπ結合と同様に、アセチレン：Ｃ2Ｈ2の２本のπ結合による４個のπ電子もまた、水素：Ｈ2と触媒によって付加反応(塩素：Ｃｌ2、臭素：Ｂr2とは触媒無しに反応)を起こします。 【 ★アルキン／アセチレン(※ π電子４個)：ＣＨ≡ＣＨ＋Ｈ2 → 触媒：Ｐt(白金)かＮi(ニッケル) → ★アルケン／エチレン(※ π電子２個)：ＣＨ2＝ＣＨ2＋Ｈ2 → 触媒：Ｐt(白金)かＮi(ニッケル) → ☆アルカン／エタン(※ π電子０個)：Ｃ2Ｈ6 】 「※ ここでも、アルキンのアセチレン：Ｃ2Ｈ2の★不飽和★という状態についてですが、三重結合であるＣ2Ｈ2は、Ｃ≡Ｃ間に１本のσ結合と、２本の反応性の高いπ結合によって形成されています。 上記の様に、アルキンの状態で２本あったπ結合が、アルケンの状態になるとπ結合が１本になり、最後にはアルカンの状態で、π結合が無い０本となり、σ結合１本だけが残っています！」よってこれをまとめると、 【※ ★不飽和の三重結合アルキン★(σ結合１本、π結合２本) → ★不飽和の二重結合アルケン★(σ結合１本、π結合１本) → ☆飽和のアルカン☆(σ結合１本、π結合０本)】となります！ 【※ 飽和状態の単結合アルカン／メタン：ＣＨ4(単結合＝σ結合４本、π結合０本＝π電子０個)は、反応性の高い(電子を奪われ易い)π電子を持たないため、付加反応は生じない！】 【※ 不飽和状態の二重結合アルケン／エチレン：Ｃ2Ｈ4(二重結合内に、単結合＝σ結合１本、π結合１本＝π電子２個)は、反応性の高いπ電子２個を持つため、付加反応を生じる！】 【※ 不飽和状態の三重結合アルキン／アセチレン：Ｃ2Ｈ2(三重結合内に、単結合＝σ結合１本、π結合２本＝π電子４個)は、反応性の高いπ電子４個を持つため、付加反応を生じる！】 この負(－)に帯電している「－Ｏ^-」のπ電子が本来のカルボニル基：－Ｃ(＝Ｏ)－側に移動すると、今度は本来のカルボニル基：－Ｃ(＝Ｏ)－が負(－)に帯電します。２つの同じ軌道空間は交互に負(－)に帯電し(※ これを２つの１／２δ－で表しています！)繰り返し行われる事(※ π電子の非局在化)をイメージして下さい。 結果２つのカルボニル基：－Ｃ(＝Ｏ)－との間に新しい軌道の重なり(形式上２つのsｐ2混成軌道が形成されているため、２つの２ｐ軌道同士の重なりではないかと考えられます)が生じます。 つまり、「－Ｏ^-」のローンペアがカルボニル基：－Ｃ(＝Ｏ)－のπ軌道と共鳴し合う(※ 共鳴は字の通りの意味としてイメージして下さい！)事によって、Ｈ^+が電離してもエネルギーの低い酢酸イオンＣＨзＣＯＯ^-がアニオンとして生成し安定出来るのではないかと考えられます！ この原子核の存在も最重要として考えますと、酢酸ＣＨзＣＯＯＨが陰イオン：ＣＨзＣＯＯ^-として安定出来るおおよその予測に役立ちますので、原子核の存在を意識し習慣付けた方がいいのではないでしょうか？ 追記として、先程の原子核なんですが、原子は原子核と電子から形成され、原子核は、陽子(＋)と中性子(電気的に中性)から出来ていて、陽子が正の電荷(＋)を帯びているために原子核は正(＋)の電荷を帯びています。 更に、原子核の陽子と中性子はそれぞれ、３つのクォークというものから出来ているそうです。このクォークによって陽子(３つのクォークから出来ている！)、中性子(３つのクォークから出来ている！)として原子核を形成しているそうです！ この事は大変ためになる書物から重要知識として引用しましたが、これは無限大に相当難しい事で、発見された方はとてつもなく偉大ですね！】 この現象を水によく溶ける、低級アルコール類であるメタノール：ＣＨзＯＨ、エタノール：Ｃ2Ｈ5ＯＨ、プロパノールＣ3Ｈ7ＯＨ等と比較するとイメージしやすいです。メタノール、エタノール等は酢酸以上に元々電離しませんが、仮に電離してもすぐ元のメタノール：ＣＨзＯＨ、エタノール：Ｃ2Ｈ5ＯＨに戻ってしまいます。 つまり、メタノール、エタノールが酢酸イオンＣＨзＣＯＯ^-の様に、メトキシドイオン：ＣＨзＯ^-、エトキシドイオン：Ｃ2Ｈ5Ｏ^-として生成しても、陰イオンとしてエネルギー的に安定出来ないという事であり、すぐに元のメタノール：ＣＨзＯＨ、エタノール：Ｃ2Ｈ5ＯＨに戻った方がエネルギー的に安定し楽になると考えられます。 これをメタノール：ＣＨзＯＨとエタノール：Ｃ2Ｈ5ＯＨのヒドロキシ基：－ＯＨの酸素原子：Ｏに注目して考えますと、どちらの酸素原子：Ｏも「－Ｃ－ＯＨ」間で、炭素原子：Ｃと水素原子：Ｈを酸素原子：Ｏ側に引き付けており、ＣとＨのどちらの原子も正(＋)に帯電し、酸素原子：Ｏは負(－)に帯電し分極していると考えられます。 さらにこの事を、酢酸イオンと何が違うのか考えてみますと、メタノールとエタノールの場合、仮にヒドロキシ基：－ＯＨからＨ^+が電離しても、Ｈ^+から受け取った電子が酸素原子：Ｏ上の空間にだけ電子が存在(電子の局在化)し負(－)に帯電し分子内を非局在化出来ない、つまり他の原子との軌道の重なりがない状態にあり、酢酸イオンの様にπ電子が分子内の広い空間を非局在可出来ないために不安定になるのではないかと考えられます。 そのためＨ^+が電離しても「－Ｏ^-」が負(－)に帯電している分、電離したＨ^+を引き付け配位結合し、元の状態に戻り安定するのではないかと予測されます！ ［２］ＣＨзＯＨ＋Ｈ2Ｏ⇔ＣＨзＯ^-＋ＨзＯ^+(酢酸よりも、さらに左に平衡が大きく偏っている！) ［３］Ｃ2Ｈ5ＯＨ＋Ｈ2Ｏ⇔Ｃ2Ｈ5Ｏ^-＋ＨзＯ^+(メタノールよりも、左に平衡が大きく偏っている！) またこれらは全てヒドロキシ基：－ＯＨを所有しているという別な角度から考えてみると、同じ官能基を所有する酢酸、メタノール、エタノールは何故電離度α(１をMAXとした、Ｈ^+を放出する割合の数値)がそれぞれ違うのか？という疑問に到達します。 この疑問については、同じ官能基：－ＯＨと言っても酸素原子：Ｏが水素原子：Ｈを引き付ける強さの度合いがそれぞれ違うために、Ｈ^+を放出する電離度αも違ってくるのではないかと考えられます。 結局低級アルコールの場合、陰イオンになったとしてもすぐ、元のメタノール、エタノール、プロパノールに戻りたいという事なんですね。とはいっても、酢酸も弱酸ですので、結局はあまり電離したくないという事には変わりありません！ 【 ＣＨзＣＯＯＨ ＞＞ ＣＨзＯＨ ＞ Ｃ2Ｈ5ＯＨ 】 になるそうです。この様に考えると、「酢酸はアルコール類と比較すると、※ 強酸！」だとも言えそうですね！ いよいよ次回は弱酸のpＨを求めていこうかなと思います。別記事でも少し触れましたが、pＨを求めるためには数多い公式を理解しながら繋げていかなければなりません。 そこで、後々加水分解にも応用化出来るように、私なりに考えた独自の「あるある的公式」として紹介していこうと思っていますので、宜しかったらお付き合い下さい！それではこの辺で、 See you ! １－２．電気陰性度の持つ大きな役割！
２．酢酸ＣＨзＣＯＯＨの構造って、一体どうなっているの？
３．混成軌道形成の最重要ポイント「※ 炭素原子：Ｃの２s軌道の電子２個は、昇位に１個、混成軌道に１個使われ、電子０個となり無くなってしまう！？」
４．混成軌道から、有機(鎖式)化合物の飽和化合物(単結合＝σ結合)と不飽和化合物(二重結合＝σ結合とπ結合 & 三重結合＝１本のσ結合と２本のπ結合)の仕組みを解き明かそう！
４－１．不飽和結合(二重結合、三重結合)に関与しているπ結合によるπ電子の化学反応性！
５．酢酸電離後の酢酸イオンＣＨзＣＯＯ^-の構造の予想図。
５－１．原子核のちょっとした知識！
５－２．酢酸と、アルコール類の違いとは？
