分子の形は何か？

概要

この記事では、分子の形と、原子と電子の配置によってどのように決定されるかを探求します。分子は像のように形を持たないが、少なくとも原子核と電子を配置する方法があり、引力を最大化し反発を最小化することができます。また、メタン、アンモニア、二酸化炭素、水、三フッ化塩素などの分子の例とその形状についても調べます。

分子の密度

分子はほとんどが空間で構成されており、その質量のほとんどは原子核の密集部分に集中しています。原子がどのように結合するかを決定する電子は、個々の粒子ではなく、負の電荷の雲のようなものです。したがって、分子は像のように形を持ちません。

原子と電子の配置

すべての分子には、原子核と電子を配置するための最大の引力と最小の反発を実現する方法が少なくとも1つあります。各参加原子の外層電子が、分子の形状を決定するために最も重要です。原子間の電子雲、つまり分子の結合は、ソーセージのような形状をしています。原子核は正に帯電し、電子は負に帯電します。すべての原子核またはすべての電子がくっついていると、互いに反発して飛び散ってしまいます。

分子の例とその形状

アレッサンドロ・ヴォルタは1776年にメタンを発見しました。メタンの化学式はCH4であり、これはすべてのメタン分子が1つの炭素原子と4つの水素原子で構成されていることを示しています。電子構成から、炭素原子は最大で4つの他の原子と結合でき、各水素原子は1つの他の原子としか結合できません。したがって、炭素はすべての水素と結合する中心原子である必要があります。各結合は2つの電子の共有を表し、線で描かれます。メタンの最適な形状は正四面体であり、すべての結合ができるだけ離れている状態です。その他の分子の例とその形状には、ピラミッドのような形状をしたアンモニア（NH3）、直線の二酸化炭素（CO2）、肘のように曲がった水（H2O）、Tの形をした三フッ化塩素（ClF3）があります。

大きな分子の複雑な形状

原子数が増えるにつれて、形状はより複雑になります。比較的小さな医薬品からDNAやタンパク質のような長い重合体まで、ほとんどの分子には明確な中心原子がありません。しかし、結合された原子は、異なる電荷間の引力を最大化し、同じ電荷間の反発を最小化するように自己配置します。一部の分子には、2つ以上の安定した原子配置があり、原子配置の切り替えから興味深い化学反応が起こることがあります。この場合、分子の構成、つまり原子の数と種類が全く変わらなくても、化学反応が起こるのです。