化学

炭素原子の結合の手についてわかりやすく解説

炭素 結合の手

炭素の結合っておもしろいですよね。
だって、酸素分子は$O_2 $と
2個つながってできる酸素が存在するじゃないですか。

でも、2個つながった『だけで出来上がる』炭素分子って存在しません。
なぜだと思いますか?

理由は炭素Cの場合、結合の手が4本あるためです。
さっきの酸素Oの場合、結合の手は2本です。
他でいうと水素の結合の手は1本ですし
窒素Nの結合の手は3本です。

窒素なら3重結合で$N_2 $が完成しますし
水素も単結合で$H_2 $ができます。

でも炭素は結合の手が4本あり、
三重結合して$C_2 $となっても結合の手が
それぞれ1本ずつ余ってしまい、完成しません。

こんな感じで炭素は炭素だけで物質を作れないところが
良かったのか悪かったのか、わかりません。
でも、おかげで有機化合物ができたのは間違いありません。
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今回の記事では炭素原子が作る結合の手について解説します。

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炭素原子が作る結合の手について

炭素と炭素というのは結合の種類がおおむね3種類あります。

炭素間に作られる共有結合にどんなものがあるか?というと

・一本の手で作る単結合(C-C)
・二本の手で作る二重結合(C=C)
・三本の手で作る三重結合(C≡C)

という3通りの結合が存在します。

単結合、二重結合、三重結合にどんな特徴があるのでしょう?

炭素原子が作る結合の手:単結合

単結合の場合、炭素さんは4人の相手とくっつきます。
あえて擬人法的に書きましたが、4人は4個のことですからね。

単結合

炭素の場合、結合の手が4つありますね。
1本は炭素とつながって残り3つに結合の手が出ますね。
だから4個の原子と結合するといえます。

ところで単結合を作るとき、
炭素原子は自分を中心に正四面体の頂点方向に他の原子と結合を作ります。

上記図(右側)で真ん中の黒いのが炭素原子です。
それで他の原子4つと結合を作ることができますが、
自分を中心に正四面体の頂点方向に向けて結合の手が伸びます。

というのが単結合の特徴です。

実際は平面上に結合が出るわけではありません。
立体的な形をしているというところを知っておいてくださいね。

ちなみにすべて単結合だけでできている炭化水素を『アルカン』といいます。

アルカンの仲間に

・$CH_4 $・・・メタン
・$C_2H_6 $・・・エタン
・$C_3H_8 $・・・プロパン

などがあります。

次に二重結合について解説しますが、
二重結合を1個持った炭化水素を『アルケン』といいます。

アルケンの仲間に

・$C_2H_4 $・・・エチレン
・$C_3H_6 $・・・プロペン(プロピレン)

などがあります。

炭素原子が作る結合の手:二重結合

二重結合の場合、炭素原子は3個の相手とくっつきます。
炭素間で二重結合(C=C)を作ったとすると
それぞれの炭素原子から見たら手を二本、使っています。

二重結合
ということは残った手は2本しかないので、残り二方向に結合の手が出ます。
あとは他の原子と連結します。

だから3個の原子と結合するといえるわけです。
形ですが正三角形の頂点方向に他の原子と連結しています。
これが二重結合を作るときの他の原子の配置です。

炭素原子が作る結合の手:三重結合

では炭素間に三重結合ができたらどうなるでしょう?

配置は直線型の形をしています。

三重結合を作ると炭素原子は2個の相手と結合します。
結合の手が4本あるうちの3つを炭素と結合しています(〇ーC≡Cー〇)。
残った手は1本しかありませんね。

そして形としては直線(〇ーC≡Cー〇)です。
180°開いた直線型の分子を作ります。

三重結合を分子内に1個持つ炭化水素のことを『アルキン』といいます。

アルキンの代表選手に

・アセチレン(H-C≡C-H)
・プロピン($CH_3 $ーC≡C-H)

などがあります。

アセチレンというのは溶接用のバーナーの燃料ガスとして使われます。
一番簡単なアルキンがアセチレンです。
炭素間が三重結合で両サイドが水素原子という形です。

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炭素原子が作る結合の手についてまとめ

まとめると

・すべて単結合だけでできている炭化水素を『アルカン』
・分子内に二重結合を1個持った炭化水素を『アルケン』
・分子内に三重結合を1個持つ炭化水素のことを『アルキン』

という3種類の炭化水素があります。

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