ベンゼンの構造式の謎を解決！｜ケクレ構造や非局在化についても解説

今回はベンゼンの構造式の謎を解決していきます。
あわせてベンゼンのケクレ構造とか非局在化についても解説していきます。

Contents

1 ベンゼンの構造式ができるまで

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ベンゼンの構造式ができるまで

ファラデーが発見したベンゼンについて

ベンゼンは有機化学の歴史の中でも論争を巻き起こしたものの1つです。
イギリスのファラデーという人が
街灯に利用されていた鯨油（クジラの油）から
怪しげな物質を発見したところから始まります。

ベンゼンの歴史

1825年、ファラデーによって、鯨油を熱分解したときの生成物の中から初めて発見された。
1833年、ミチェルリヒが安息香酸(benzoic acid)と生石灰を蒸留して得た物質にbenzinと名付けたのが名前の由来となった。

(Wikipediaより)

— ベンゼンおじさんの館【公式】 (@benzene_man) February 13, 2023

ファラデーさんはその怪しげな物質について組成を調べました。

するとその怪しげな物質はC(炭素）とH（水素）だけからできていました。
しかもCとHの比は1対1でした。
こんな感じで不変な組成であることにファラデーさんは気づいたのです。

次にファラデーさんは燃やしてみました。
炭素Cに対して水素Hがあまりにも少ないので
ススを出して燃えました。

たとえば$CH_4 $（メタン）だと炭素Cに対して水素Hが4個といっぱいありますから、
完全に燃焼していきます。

CH₄＋2O₂→CO₂＋2H₂O
と、メタンを燃焼すると完全燃焼して
二酸化炭素と水になってくれるからです。

これに対して炭素に対して水素があまりに少ないと
不完全燃焼を起こしてススを出して燃えるのです。

炭素原子数と水素原子数が近い化合物(アセチレン、ベンゼン、スチレン、ポリスチレンなど)は燃焼に際して多くのススを発生します。覚えておいて下さいねヾ(＠⌒ー⌒＠)ノ。

— 照井俊 (@teruishun) January 16, 2013

完全燃焼と不完全燃焼の違い

・完全燃焼は$CO_2 $（二酸化炭素）ができる
・不完全燃焼は$CO $（一酸化炭素）とススができる

です。

炭素や炭素化合物が完全燃焼すると[ 二酸化炭素CO₂ ]が生じる。
★C + O₂ → CO₂
★完全燃焼はCO₂、不完全燃焼はCOが生じます。

— 高校化学無機化学bot 大学受験大学入試アプリ (@kagaku_m_test) February 12, 2023

では反応性はどうでしょう？
ベンゼンは炭素に対して水素は少ないのに
非常に安定していました。

分子量を調べて分子式を調べてみたところ
$C_6H_6 $でした。

$C_6H_6 $という不思議な構造だったので
いろんな研究者がいろんな研究結果を報告しました。

ある人は炭素Cが6個つながっていて
ところどころで二重結合とか三重結合がるんじゃないか？
みたいに考えました。

二重結合や三重結合についての解説はこちら

・炭素原子の結合の手についてわかりやすく解説

またある研究者は輪っかが４つくっついたような立体的で不思議な
構造を考えたりしました。

こんな感じでいろんな研究者がいろんなベンゼンの構造を発表しました。
ただいろいろ反応させてみても
研究者が主張する構造というのはイマイチでした。

ケクレが提唱したベンゼンの構造とは？

最終的にケクレという人がケクレ構造を唱えました。
ケクレが唱えた構造は上の図のようなものでした。

C6個、H6個で
二重結合と単結合が交互につながった構造だとケクレさんは主張しました。
ですが、二重結合と単結合が交互につながっていると困ることが起こります。

炭素原子間の結合距離

単結合＞二重結合＞三重結合

ということです。

具体的な炭素原子間の結合距離は

・単結合の代表エタンの結合距離は1.53Å
・二重結合の代表エチレンの結合距離は1.34Å
・三重結合の代表アセチレンの結合距離は1.20Å

です。

このことは以下の記事で解説しています。

ベンゼンの非局在化とは？

炭素は結合の手が4本ありますよね。

ということで上記画像のように炭素Cは結合の手4本のうち3本を使って
炭素と握手したり水素Hと握手したりしています。

あわせて読みたい

・炭素原子の結合の手についてわかりやすく解説

余っている手1本は
もちろん電子1個です。

この余っている電子1個が上記画像のように
炭素原子の上、あるいは下をフラフラ動いています。

炭素原子の上、あるいは下
というのがポイントです。
何が言いたいか？というと、電子の移動範囲が狭いということです。

電子はもっと移動したいです。
人間でいったら4畳半の部屋で生活しているようなイメージです。

上記画像のように1つの電子を見ると
移動範囲は狭いですが、隣の電子だって移動範囲は狭いわけです。

そこで4畳半の部屋の住人（炭素にある1個の電子）が
6つある（炭素が6個あるから）ので
ベンゼン全体は4畳半の部屋が6つあるアパートだと考えることができますね。

そこで1つ1つは狭い部屋だけど
狭い部屋同士つないだらどうだろう？
みたいに発想してください。

そしたら広い部屋になりますね。

ということで全部つながって広い部屋にして
その広い部屋の中をグルグル回ろうとなるわけです。
あくまで化学です。
このように考えると理解しやすいよって話です。

ということで6個の電子がベンゼン環の上、あるいは下をグルグル回っています。
このマイナスの電子が狭い所を嫌がって広い空間を動き回ること、
マイナスが広い空間に分散することを非局在化といいます。

非局在化は局在化に非ずということ。
局在は限られた場所にいることです。
だから非局在化とは限られた場所にいないということ。
なので局在していない、狭い空間にいないという意味です。

そうすると電子はストレスを感じないので
安定します。

つまり、非局在化すると安定化します。

そして正六角形になっているということです。
しかも平面です。

すべての原子が同一平面上にあります。
一枚の紙の上にあってしかもその形は正六角形だということです。

この正六角形の中に上記画像のように丸で表現したり、

ただベンゼン

ケクレ構造はケクレ構造で便利なので
上記画像のように表現したりします。

ただケクレ構造のベンゼンの場合は上記画像のように
左右の形をウロウロしていると考えることがあります。

左の形と右の形の間をずっと動いているような状態。
あるいは左右を重ね合わせたような状態だと説明されることがあります。

イメージとしては反復横跳びです。

おはようございます🕺🏻
本日の札幌は晴れ☀️
積もった雪が溶け始めています⛄️
今日は大人の身体測定🔥
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— タイヤセレクト豊平 (@DTh11901) February 14, 2023