［Cu(NH₃)₄］の構造が正四面体ではなく正方形である理由

［Cu(NH₃)₄］という化合物は、銅(II)イオンがアンモニア分子に囲まれた配位化合物です。その構造がなぜ正四面体ではなく正方形であるのかは、化学的な特性や電子配置に基づいています。この記事では、この構造の違いとその理由について詳しく説明します。

銅(II)の配位数と配位結合

銅(II)イオン（Cu²⁺）は、2つのd軌道と1つのs軌道を利用して電子を共有し、配位結合を形成します。このため、銅(II)イオンは通常、4つのアンモニア分子（NH₃）と結びつき、配位数は4になります。配位数が4の化合物においては、理論的には通常、正四面体形が予測されます。しかし、実際には異なる構造をとることがあります。

この構造が正方形である理由の一つは、銅(II)イオンのd軌道が低いエネルギー状態にあるため、電子配置が特定の形状を優先するためです。

電子配置と配位形状

銅(II)イオンの電子配置は3d⁹です。これにより、d軌道の電子が最も安定した状態で配置される形になります。正方形の配位形状は、銅(II)イオンとアンモニア分子の間に形成される配位結合が最もエネルギー的に安定する形です。これは、正方形配位形状の方が銅(II)イオンのd軌道とアンモニア分子の電子密度との相互作用において、より低いエネルギー状態を提供するためです。

したがって、正四面体形状が理論的には可能でも、実際には正方形形状が安定しやすいのです。

分子軌道理論と構造の関係

分子軌道理論においても、正方形配位形状は電子の相互作用を最適化するために適していると考えられています。特に、アンモニア分子が銅(II)イオンに配位するとき、アンモニアのlone pair電子が銅(II)イオンのd軌道と結びつきやすく、これが正方形の安定化に寄与します。

正方形形状では、4つの配位子が銅(II)イオンを取り囲む角度が90度となり、この角度がエネルギー的に最も安定した配位を実現します。正四面体形状では、配位子間の角度が109.5度であり、この角度よりも正方形の90度が適切な配置になります。

まとめ

［Cu(NH₃)₄］の構造が正四面体ではなく正方形である理由は、銅(II)イオンの電子配置や配位結合の最適化にあります。正方形形状は、銅(II)イオンのd軌道とアンモニア分子のlone pair電子との相互作用をより効率的にし、エネルギー的に安定した構造を提供します。このような構造の理解は、配位化学における重要な概念であり、化学反応のメカニズムや物質の性質を解明するのに役立ちます。