質問: 閉殻で安定しているのに何故 次のような質問をされて困っています。 理由や考え方のイメージなどお教えください。 「アンモニアが共有結合でできる時、hが価電子が1個だからhが3個くっついて価電子5個のn(炭素)が共有結合して価電子8個の閉殻になり、hが価電子2個の閉殻になりますよね。 だからアンモニアnh3は安定しているはずなのに、なんで水素イオンh+がくっついてアンモニアイオンnh4+になるの?」 よろしくお願いします。
回答: #一のお答えで構わないのですが、補足します。 「安定性」というものは「相対的」なものなので、環境が変わると化学種を含む「系」全体がいかにエネルギーの小さい状態になれるかということを追求することになります。 水のように「極性」で「誘電率」が高く内部にイオンがあった方が全体のエネルギーが下がるというような系ではアンモニアに水素イオンが付いたアンモニウムイオンが安定に存在することができます。 また#1のお答えでは「構造」と呼ばれていますが、もっと厳密には「対称性」というべきもので、アンモニアは1つの水素と窒素を含み反対側の二つの水素の間を通る「鏡面」、および窒素を軸にして120°毎に元の形と重なる3回回転軸c3があるc3vという「点群」に属しています。ところがアンモニウムイオンはメタンと同じ正四面体のthという点群に属していて、3回回転軸、鏡面の他に2回回転軸や4回反転回転軸(d4h)などを持ち非常に高い対称性を持っています。すると分子軌道を考えるとき「縮重」と呼ばれる「同じ対称性のものが集まって分裂し直す」という効果が起こり、一層低いエネルギー状態をとることが許されるようになります。この縮重度がアンモニウムイオンの方がアンモニアより高いため非常に安定化されるということになります。 例えば硫酸はsの周りにoh2つと=o二つを持っていますが、硫酸イオンso4(2-)は4つの酸素上に二つのマイナス電荷が均等に分布してやはり正4面体構造になるため硫酸が超強酸に近いと言われる(pka1が計れない)のもこの効果が大きく効いています。