無機化学II 坪村太郎 無機化学II 第1回 4/7 無機化学Ｉの復習と無機化学ＩＩで学ぶこととのかかわり 第2回 4/14 無機化学と環境、資源 第3回 4/21 産業と無機化合物のかかわり 第4回 4/28 遷移金属元素 性質と資源 第5回 5/12 遷移金属の化合物 第6回 5/19 希土類元素 第7回 5/26 金属錯体の基礎 第8回 6/2 金属錯体の反応 第9回 6/9 金属錯体の構造 第10回 6/18(木) 金属錯体と電子の軌道 第11回 6/23 有機金属錯体 第12回 6/30 触媒反応とその機構 第13回 7/7 無機化合物・錯体の分析と構造解析 第14回 7/14 錯体と光エネルギー 第15回 7/21 自然界や医療と金属錯体 ？？ 期末試験 ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ 成績評価 授業の方法 講義を中心とするが，小テスト（６回予定）も行う． 成績評価の方法 期末試験（60％）と小テスト（40％）の合計で評価する． 無機I 復習 1.元素と原子の起源、原子核反応と原子力 → 3He + 1n 235U + 1n → 141Ba +92Kr + □1n 2H＋2H 238U → 234Th → ＋ 4He 234Pa ＋ e- 234Th 半減期 • α崩壊等で崩壊していく場合原子核の数は 下記の式にしたがって減少する。 N=N0×2-t/t1/2 N0 最初の原子数 t1/2 半減期 １) 例えば N0=100個 t0＝1h なら １ｈ後に50個、2h後に25個となる。 t秒間に反応する原子数は N0 - N0×2-t/t1/2 = N0 (1- 2-t/t1/2) 2) 例えば40K(半減期12億年)が1molあったら、1秒間に反応する原子数は ① 1個 ② 1000個 ③ 100000個 ④ 10000000個 6×1023(1- 2-1/(1200000000×365×24×60×60)) ≈ 1×107 個/s 自然放射線の強度 • 人間の0.2％がカリウム(50kgとすれば100g＝2mol) Kは93％が39K ７％が41K、0.01％が40K 人間には2×10-4molの40Kが含まれる。 40K → 40Ca＋e- β崩壊により少しずつ崩壊している。 ベクレル（英語：becquerel、記号: Bq）とは、放射性物質が1秒間に崩壊す る原子の個数（放射能）を表す単位である←wikipedia つまり人は40Kによって□ベクレルの放射線が体内で出ている。 2000Bq 放射性物質の原子核反応はさまざまな反応があるが、ともかく毎 秒n個崩壊すればｎベクレルとなる。 2 周期表と元素の性質の周期性、電子配置 • 構成原理 電子配置に多くの物質の性質 は依存する 周期表で同族のものの性質が 似ていることもこれによる。 K L M N 2 Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr I Xe At Rn K 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 H He Ca Sc Rb Sr Y Ti V Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te Cs Ba Hf Tl Pb Fr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa Ta U W Re Os Ir Pt Au Hg Np Pu Am Cm Bk Cf Fl Bi Po Lv Es Fm Md No Lr 原子半径の傾向は？ 3 電子の軌道と波動関数 共有結合 シュレジンガーの式 波動関数 2 2 H E H U 2m 5s 軌 道 の 4p エ 4s ネ ル ギ 3p ー 3s 4f 4d 3d 波動関数が電子のふるまいを規定する。 2s 2p s 1s 共有結合 １つずつ電子の入った電子の軌道 の重なりに基づく 例 水素 → H・ ＋ H ： H ・H 電子を１つ持つ1s 軌道同士が重なる 1 20 原子番号 1s軌道では電子の存在確率(単位体積あたり）は どのように分布している？ １中心部分 2縁の部分 1 2 3 1 2 3 1 2 3 3縁のすぐ外側 4 ルイス構造式とVSEPR理論 • 共鳴 : .. O . . - N+ . . .. O . . O . . . . - : .. O: N . .O . . • VSEPR理論 （Valence Shell Electron Pair Repulsion） + -. . .. O . . - : .. O: + .. - N ..O . . O . . . . - : .. O: 2+ .. - N - . . ..O . .. O . . . - XeF6のXeまわりの電子対数？ F Xe F F Xe F F F (1) (2) (3) 5 混成軌道と多重結合、分子軌道法 • 混成軌道の成り立ち sp2混成軌道 • σシグマ、πパイ 結合 • • 分子軌道法 LUMO HOMO H原子 H2分子 H原子 酸素の分子軌道 • 不対電子は何個？下記の軌道に酸素原子2個の価電子を 詰める 6 固体と結晶の基礎(イオン結晶、金属と半導体) 結晶のイメージ 塩化セシウム型と岩塩型 塩化セシウム型構造 • 図ではセシウムが中心で塩素が周りにある。これと逆の構造、 つまり塩素がまわりで中心がセシウムの構造は全く同等で ある？？ 7 酸化還元反応と酸塩基反応 • ブレンステッドの酸と塩基 • ルイスの酸と塩基 固い酸と軟らかい酸 固い塩基と軟らかい塩基 • 酸化還元反応 • 標準還元電位と半反応式 例 Cu 2+ + 2e - → Cu E°＝ +0.4V Fe 2+ + 2e - → Fe E°＝ ？？ ①0.4Vより高い ②0.4Vより低い 8 単体の性質と構造 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 H He Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti Ne V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Fl Lv La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 同じ固体でも分子、共有性結晶 金属では構造も性質も異なる。 ゲルマニウムの構造は？ 1. 二原子分子 2. ダイヤモンド構造 3. 体心立方格子 9 単体の反応、化合物の成り立ち、命名の基礎 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 H He Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti Ne 同じ固体でも分子、共有性結晶 金属では構造も性質も異なる。 V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Fl Lv La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 塩化ストロンチウム中のSr-Cl結合 P4O10中のP-O結合はそれぞれ何結合か？？？ 10 イオン結晶と共有結合性結晶 化合物の場合 • イオン結晶の例 CaC2 共有結合性結晶の例 クリストバライト • 等電子構造 C-CとB-N 下記の化合物の特徴は何であったか？ 11 水素の化合物 イオン性と分子性 三中心結合 • 塩類似水素化物 CaH2、NaHなど • 遷移金属水素化物 遷移金属結晶の隙間に水素原子が入ったもの 不定比化合物 • 共有性水素化物 H-陰イオンを含む 多くの分子性化合物 H2O, NH3, CH4など ホウ素の水素化物と三中心結合 価電子の合計は？ 三中心二電子結合の数は？ 二中心二電子結合の数は？ 両結合の数の和は？ 12 分子性酸化物とオキソ酸 窒素酸化物とオキソ酸の例 酸化 数 １ 酸化物 性質等 N2O 亜酸化窒素 2 NO 一酸化窒素 直線型 酸化剤、 麻酔剤（笑気） 常磁性 3 N2O3 三酸化二窒素 平面型 不安定 で分解 4 NO2 二酸化窒素 5 N2O5 五酸化二窒素 平面型 不安定 で分解 オキソ酸 性質等 HNO2 亜硝酸 弱酸pKa=3.2 酸化剤 褐色で猛毒。 N2O4（無色）との 間に平衡あり HNO3 硝酸 強酸 酸化力 あり ハロゲンのオキソ酸の例 酸化数 1 3 5 7 オキソ酸 HXO 次亜X酸 HXO2 亜X酸 HXO3 X酸 HXO4 過X酸 pKa X＝Clの場合 7.5 非常に弱い酸 2.0 弱酸 -1.2 強酸 -10 強酸 性質 酸化剤 強酸化剤 酸化剤 爆薬 酸化剤 爆発性 硫酸イオンの共鳴構造 • 全部単結合の構造もかけるか？ 2- 2- 13 分子性ハロゲン化物と貴ガスの化合物 F ルイス酸と塩基の例 B F - F F + F- B F F F 平面三角形 正四面体 F F F P F + F- F F 構造興味深い例 F - F F P F F 三方両錐 正八面体 SF4 SF6 ClF3 等 貴(希)ガスのハロゲン化物 XeF2など フッ素含有有機物 テフロンなどフッ素樹脂、CFCなど SF4とClF3の構造を予測せよ １4 錯体と有機金属 • 用語 錯体、配位子、配位数 • キレート n+ H2 C H2C NH2 H2N M H2C M CH2 NH2 CH2 H2N NH2 C H2 • 有機金属錯体 RLi RMgBr OH2 OH2 H2O NH2 n+ OH2 H2O M OH2 OH2 H2O OH2 OH2 n+ １5 生物無機化学 • いわゆる無機化合物 CaCO3 Ca5(PO4)3(OH) • 金属イオンの働き 細胞内 細胞外 Na+ 15 143 K+ 152 5 Ca2+ <10-3 3 Mg2+ 2.5 1.0 • ヘモグロビン、ビタミンB12など遷移金属含有化合物 特に重要なポイント • 電子配置は物質の物理的、化学的な性質を 決める。 • 物質の構造(分子、イオン結晶、共有結合結 晶など）は見かけの性質と密接に関係してい る。
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