大学化学の『縮退(縮重)』とは？基礎からわかりやすく解説！

大学化学でいきなり出てくるけど、聞き馴染みがない単語である「縮退(縮重)」。

と思っているのではないでしょうか？

縮退を理解するポイントは、

『軌道とエネルギー』

です。これさえ押さえておけば、縮退について理解できます！

この記事では、大学化学の重要単語の1つである「縮退(縮重)」について基礎から解説していきます！

縮退を一言で表すと？

縮退(縮重)を一言で表すと、

複数の軌道や状態が同じエネルギーを持っていること

です。

…と言われても少しわかりにくいですよね。

この「縮退」について理解するために、まずは軌道について理解しましょう！

そもそも軌道とは？

軌道と言えば、s軌道とか、p軌道とかあるのをどこかで聞いたことがありますよね？

そもそも軌道が何を表しているかというと、これらは

電子が存在しやすい領域

を表しています。

噛み砕いていうと、例えば電子を1000回観測したら、電子は大体軌道で示した領域に存在しているよということです。

上の画像のように、s軌道は球状に、p軌道はひょうたん型に電子が存在しやすいと計算から導かれます。

s軌道は1種類ですが、p軌道はx軸、y軸、z軸の3方向に広がる3種類のp軌道があることがポイントです！

このことを念頭に、「縮退」について考えてみましょう！

「縮退」とは？

p軌道を考えると分かりやすいので、p軌道で説明します。

先に示したように、p軌道にはp_x軌道、p_y軌道、p_z軌道の3種類があると書きました。

これらは広がる軸方向は異なりますが、軸方向を無視すればいずれの軌道も等価であると言えます。

つまり、言い換えるとこの3つの軌道はいずれもエネルギー的に等価ということです。

ここで、最初に、

「縮退」とは、複数の軌道や状態が同じエネルギーを持っていること

と言いました。

すなわち、これらのp軌道は「縮退している」ということが出来ます。

ここでは3つのp軌道が縮重しているので、「3重縮退」していると言われます。

用語としては、「縮重」も「縮退」も同じ意味ですが、「3重縮重」とは言わず、「3重縮退」ということが多い気がしますね！

d軌道ではどうなる？

d軌道の場合は、下記の通り5種類の軌道が存在します。

この軌道の周りに電子などが存在しない自由なイオンである場合、これらの5種類の軌道はエネルギー的に等価です。

すなわち、5重縮退しているということが出来ます。

なぜ、最初に「自由なイオンの場合…」と書いたかというと、これが錯体の場合は話が変わるからです。

錯体とは、

金属イオンに分子やイオン(配位子)がくっついた物質

のことです。

ここの「金属イオン」はd軌道を有しており、もし配位子がくっついていない自由なイオンの場合は、先に述べた通りd軌道が5重縮退しています。

しかし、例えば「八面体錯体」の場合は、下記の通りエネルギーの高い2つの軌道とエネルギーの低い3つの軌道に分裂します。

つまり、上のようにエネルギーの高い2種類の軌道(e_g軌道)は2重縮退しており、エネルギーの低い3種類の軌道(t_2g軌道)は3重縮退しています。

この分裂の仕方は錯体の形で変わり、今回の場合はd軌道が2重縮退と3重縮退に分裂していますが、例えば正四面体の場合は違う分裂の仕方になります。

錯体の考え方について、詳しく知りたい方はこちらの記事を参照してください！

Tips：「縮退」と「縮重」はどっちを使うべき？

結論から言うと、どちらを使っても問題ないです。

「理想気体」を本によっては「完全気体」と呼ぶのも同じ感じですね。
(化学では、同じ意味だけど異なる呼び方をする単語は意外とあるイメージです)

実際、「縮退」も「縮重」も英語ではいずれも“degeneracy”です。

また、シュライバー・アトキンス無機化学でも「縮退または縮重」という書き方をしています。

ただ、個人的には「縮退」と呼ぶことが多いかなぁという気がします(これは分野によるのかもしれませんが…)

また、先に示したように「○重縮重」とは言わず「〇重縮退」ということが多いと思いますし、一方で「縮退度」とは言わず「縮重度は〇〇」と表現することもあります。

なので、要は使い分けなのですが、筆者としては多くの場面で「縮退」と言うことが多いです…！

最後に

いかがでしたか？

今回は「縮重(縮退)とは何か？」について解説してきました。

今回の内容をまとめると、

となります。

縮重の考え方は大学化学の基礎になるので、ぜひおさえておきましょう！

ぜひ、参考にしてみてくださいね！