What is the shape of a molecule? - George Zaidan and Charles Morton

分子の形 - ジョージ・ザイダン＆チャールズ・モートン

翻訳: Misaki Sato 校正: Tomoyuki Suzuki

What is the shape of a molecule?

分子とはどんな形を しているのでしょうか？

Well, a molecule is mostly empty space.

実は分子の大部分はほとんど 何もない空間になっており

Almost all of its mass is concentrated

その質量の大半は

in the extremely dense nuclei of its atoms.

(分子を構成する)各原子の 原子核に集中しています

And its electrons,

電子というものは

which determine how the atoms

原子がお互いにどのように

are bonded to each other,

結びつくかを決定し

are more like clouds of negative charge

個別の粒子というよりも

than individual, discrete particles.

負の電荷を持つ雲状になっています

So, a molecule doesn't have a shape

そういう訳で 分子は―

in the same way that, for example,

例えば 彫像の様な

a statue has a shape.

形があるわけではありません

But for every molecule,

しかし どんな分子にも

there's at least one way

原子核と電子に

to arrange the nuclei and electrons

少なくとも一通りの配置があって

so as to maximize the attraction

異なる電荷を持つもの同士の

of opposite charges

引力を最大化し

and minimize the repulsion

同じ電荷を持つもの同士の

of like charges.

反発力を最小化しています

Now, let's assume that the only electrons

ここで前提となるのは

that matter to a molecule's shape

分子を形作るのは各原子の

are the outermost ones from each participating atom.

最外殻の電子(価電子)だという事です

And let's also assume

またそれに加えて

that the electron clouds in between atoms,

原子の間にある電子雲

in other words, a molecule's bonds,

言い換えると 分子の結合は

are shaped kind of like sausages.

ソーセージの様な形をしています

Remember that nuclei are positively charged

ここで原子核は正電荷を持ち

and electrons are negatively charged,

電子は負電荷を持っているのでした

and if all of a molecule's nuclei

もし分子の原子核同士を

were bunched up together

一緒にしたり

or all of its electrons were bunched up together,

あるいは電子同士を一緒にすると

they would just repel each other and fly apart,

お互いに反発してばらばらになり

and that doesn't help anyone.

何も形作られないでしょう

In 1776, Alessandro Volta,

1776年にアレサンドロ・ボルタが－

decades before he would eventually invent batteries,

彼が電池を発明する 何十年も前の事ですが－

discovered methane.

メタンを発見しました

Now, the chemical formula of methane is CH4.

さて メタンの化学式はCH4です

And this formula tells us

この化学式からは

that every molecule of methane

メタン分子は

is made up of one carbon and four hydrogen atoms,

１つの炭素原子と４つの水素原子から 成ることがわかります

but it doesn't tell us what's bonded to what

しかし これでは何が どのように結合しているのか

or how they atoms are arranged in 3D space.

また ３次元的な様子が 分かりません

From their electron configurations,

原子が持つ電子の配置から

we know that carbon can bond

炭素は最大で他の

with up to four other atoms

４つの原子と結びつく事がわかります

and that each hydrogen can only bond

一方 各水素原子は

with one other atom.

他の原子一つとだけ結びつきます

So, we can guess

このことからメタンは

that the carbon should be the central atom

炭素原子が中心となり

bonded to all the hydrogens.

そこに水素が結びつくと考えられます

Now, each bond represents

各結合は

the sharing of two electrons

２つの電子を共有しており

and we draw each shared pair of electrons as a line.

その２つの電子を直線で描きます

So, now we have a flat representation

こうしてメタン分子の

of this molecule,

平面図が得られました

but how would it look in three dimensions?

では 三次元では どんな姿なのでしょうか？

We can reasonably say

ここで言えることは

that because each of these bonds

各結合は

is a region of negative electric charge

負の電荷を持っているため

and like charges repel each other,

同じ電荷同士が反発し

the most favorable configuration of atoms

原子にとって最も望ましい構造は

would maximize the distance between bonds.

結合間の距離が 最大の時だということです

And to get all the bonds

全ての結合間の距離が

as far away from each other as possible,

最大になると

the optimal shape is this.

この形になります

This is called a tetrahedron.

これは正４面体と呼ばれます

Now, depending on the different atoms involved,

原子の種類が異なると

you can actually get lots of different shapes.

(分子は）様々な形をとります

Ammonia, or NH3, is shaped like a pyramid.

アンモニア(NH3)はピラミッドのような 形になり

Carbon dioxide, or CO2, is a straight line.

二酸化炭素(CO2)は 直線状になり

Water, H2O, is bent like your elbow would be bent.

水(H2O)はちょうど 人が肘を曲げたような形を取り

And chlorine trifluoride, or ClF3,

三フッ化塩素(CIF3)は

is shaped like the letter T.

T字型になります

Remember that what we've been doing here

ここで注意してほしいのは

is expanding on our model of atoms and electrons

原子と電子のモデルが

to build up to 3D shapes.

立体になったことです

We'd have to do experiments

実験をして

to figure out if these molecules

これらの分子が

actually do have the shapes we predict.

予想通りであったか 確かめなければなりません

Spoiler alert:

ネタバレ注意

most of the do, but some of them don't.

実は全てがそうだとは言えません

Now, shapes get more complicated

原子の数が増えるほど

as you increase the number of atoms.

構造はどんどん複雑になります

All the examples we just talked about

今回取り上げた例は全て

had one obviously central atom,

中心となる原子が一つでしたが 多くの分子は

but most molecules,

比較的小さな薬剤から

from relatively small pharmaceuticals

DNAやタンパク質などの

all the way up to long polymers

長鎖重合体に至るまで

like DNA or proteins, don't.

中心となる原子が 一つとは限りません

The key thing to remember

ここでのポイントは

is that bonded atoms will arrange themselves

結合される原子の配置は

to maximize the attraction between opposite charges

異なる電荷を持つもの同士の 引力を最大化し

and minimize the repulsion between like charges.

同じ電荷を持つもの同士の 反発力を最小化していることです

Some molecules even have two or more

分子によっては ２､３種の

stable arrangements of atoms,

原子の安定配置があります

and we can actually get really cool chemistry

この構造の切り替えのおかげで

from the switches between those configurations,

興味深い化学現象が起こります

even when the composition of that molecule,

とはいえ 分子の成分 つまり

that's to say the number and identity of its atoms,

原子の数や原子そのものが

has not changed at all.

変化しているわけではありません