この教材で学ぶこと
到達目標
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σ結合とπ結合の違いを説明できる
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単結合がσ結合1本からなることを理解できる
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二重結合がσ結合1本とπ結合1本からなることを説明できる
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三重結合がσ結合1本とπ結合2本からなることを説明できる
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π結合と分子の平面性・反応性を関連づけられる
前提知識
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共有結合
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原子軌道
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混成軌道
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s軌道
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p軌道
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有機化合物の構造式
1
σ結合とπ結合とは
共有結合は、原子軌道が重なり、電子対を共有することでできます。
軌道の重なり方によって、共有結合はσ結合とπ結合に分けて考えることができます。
σ結合は、原子核どうしを結ぶ軸に沿って軌道が正面から重なる結合です。
π結合は、p軌道どうしが横向きに重なってできる結合です。
有機化学では、二重結合や三重結合の性質を理解するためにσ結合とπ結合が重要になります。
σ結合とπ結合の違い
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結合
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軌道の重なり方
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特徴
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σ結合
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正面から重なる
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単結合の基本になる
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π結合
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横向きに重なる
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二重結合・三重結合に含まれる
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確認ポイント
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σ結合とπ結合が軌道の重なり方で区別されることを説明できる
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π結合が二重結合や三重結合に関係することを理解できる
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2
σ結合
σ結合は、2つの原子の原子核を結ぶ軸に沿って、軌道が正面から重なることでできる結合です。
共有結合の中でも基本となる結合です。
単結合は、σ結合1本からできています。
たとえば、H₂のH-H結合や、CH₄のC-H結合はσ結合です。
σ結合は軌道の重なりが大きく、比較的強い結合です。
σ結合の例
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分子・結合
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説明
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H-H
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1s軌道どうしの重なり
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C-H
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炭素の混成軌道と水素の1s軌道の重なり
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C-C単結合
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炭素の混成軌道どうしの重なり
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確認ポイント
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σ結合が正面からの軌道の重なりでできることを説明できる
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単結合がσ結合1本であることを理解できる
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3
π結合
π結合は、p軌道どうしが結合軸の上下または左右で横向きに重なることでできる結合です。
π結合は、σ結合に加えて二重結合や三重結合を作るときに現れます。
二重結合にはπ結合が1本、三重結合にはπ結合が2本含まれます。
π結合は横向きの重なりなので、σ結合より重なりが小さく、反応しやすい部分になることがあります。
アルケンの付加反応では、π結合が切れて新しいσ結合ができます。
π結合の特徴
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項目
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内容
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でき方
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未混成p軌道どうしの横向きの重なり
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含まれる結合
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二重結合・三重結合
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反応性
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σ結合より反応に関わりやすいことがある
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代表例
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C=C、C≡C
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確認ポイント
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π結合がp軌道どうしの横向きの重なりでできることを説明できる
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π結合が二重結合や三重結合に含まれることを理解できる
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4
単結合・二重結合・三重結合
単結合、二重結合、三重結合は、σ結合とπ結合の組み合わせで説明できます。
単結合はσ結合1本です。
二重結合はσ結合1本とπ結合1本からなります。
三重結合はσ結合1本とπ結合2本からなります。
どれだけ多重結合になっても、原子核どうしを直接結ぶ軸上の結合はσ結合1本です。
結合の内訳
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結合
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σ結合
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π結合
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代表例
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単結合
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1本
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0本
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C-C
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二重結合
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1本
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1本
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C=C
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三重結合
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1本
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2本
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C≡C
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例題：C=C二重結合には、σ結合とπ結合がそれぞれ何本含まれるか。
答え：σ結合1本、π結合1本
二重結合はσ結合1本とπ結合1本からなります。
例題：C≡C三重結合には、σ結合とπ結合がそれぞれ何本含まれるか。
答え：σ結合1本、π結合2本
三重結合はσ結合1本とπ結合2本からなります。
確認ポイント
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単結合・二重結合・三重結合の内訳を説明できる
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多重結合でもσ結合は1本であることを理解できる
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5
エチレンの二重結合
エチレン C₂H₄ は、炭素どうしの二重結合をもつ代表的な分子です。
各炭素原子はsp²混成で、3つのsp²混成軌道を使ってσ結合を作ります。
残った未混成p軌道どうしが横向きに重なり、π結合を作ります。
そのため、C=C二重結合はσ結合1本とπ結合1本からなります。
エチレンの二重結合周辺は平面構造になります。
エチレンの構造
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項目
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内容
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炭素の混成
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sp²
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C=Cの内訳
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σ結合1本 + π結合1本
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構造
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平面構造
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結合角
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約120°
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確認ポイント
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エチレンの炭素がsp²混成であることを説明できる
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C=C二重結合がσ結合1本とπ結合1本からなることを説明できる
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6
アセチレンの三重結合
アセチレン C₂H₂ は、炭素どうしの三重結合をもつ代表的な分子です。
各炭素原子はsp混成で、2つのsp混成軌道を使ってσ結合を作ります。
残った2つの未混成p軌道が、それぞれ横向きに重なって2本のπ結合を作ります。
そのため、C≡C三重結合はσ結合1本とπ結合2本からなります。
アセチレンの三重結合周辺は直線構造になります。
アセチレンの構造
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項目
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内容
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炭素の混成
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sp
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C≡Cの内訳
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σ結合1本 + π結合2本
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構造
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直線構造
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結合角
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180°
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確認ポイント
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アセチレンの炭素がsp混成であることを説明できる
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C≡C三重結合がσ結合1本とπ結合2本からなることを説明できる
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7
π結合と回転
単結合では、σ結合を軸として比較的回転しやすい場合があります。
しかし、二重結合ではπ結合があるため、自由回転しにくくなります。
π結合はp軌道どうしの横向きの重なりでできているため、回転するとp軌道の重なりが壊れてしまいます。
このため、C=C二重結合の周辺では構造が固定されやすく、シス・トランス異性体が生じることがあります。
結合と回転
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結合
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回転のしやすさ
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理由
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単結合
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比較的回転しやすい
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σ結合のみ
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二重結合
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回転しにくい
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π結合が壊れるため
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三重結合
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回転の意味が小さい
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直線構造
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確認ポイント
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二重結合が自由回転しにくい理由をπ結合から説明できる
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π結合とシス・トランス異性体の関係を理解できる
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8
σ結合・π結合と反応性
π結合はσ結合よりも反応に関わりやすいことがあります。
アルケンの付加反応では、C=C二重結合のπ結合が切れ、新しいσ結合ができます。
たとえば、エチレンに水素を付加すると、エタンができます。
このとき、C=Cのπ結合が切れ、C-H結合が新しく作られます。
有機化学では、π結合をもつ化合物が反応しやすい場面が多くあります。
エチレンへの水素付加
CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃
C=Cのπ結合が切れ、新しいC-H結合ができます。
エチレンへの臭素付加
CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br-CH₂Br
アルケンのπ結合にBr₂が付加します。
確認ポイント
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アルケンの付加反応でπ結合が反応に関わることを説明できる
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π結合が有機化学の反応性と関係することを理解できる
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9
σ結合とπ結合の例題
σ結合とπ結合の問題では、単結合・二重結合・三重結合の内訳がよく問われます。
また、二重結合の回転しにくさや、アルケンの付加反応もπ結合と関連づけて理解しましょう。
例題：単結合はσ結合とπ結合のどちらからなるか。
答え：σ結合
単結合はσ結合1本からなります。
例題：二重結合にはπ結合が何本含まれるか。
答え：1本
二重結合はσ結合1本とπ結合1本からなります。
例題：三重結合にはπ結合が何本含まれるか。
答え：2本
三重結合はσ結合1本とπ結合2本からなります。
例題：C=C二重結合が自由回転しにくい理由を答えなさい。
答え：π結合がp軌道どうしの横向きの重なりでできており、回転するとその重なりが壊れるから。
二重結合ではπ結合があるため、単結合のようには自由に回転しにくいです。
確認ポイント
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単結合・二重結合・三重結合をσ結合とπ結合で説明できる
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π結合と回転のしにくさを関連づけられる
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π結合と有機反応を関連づけられる
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