VSEPR理論
価電子殻電子対反発（VSEPR）理論は、分子の形状や幾何学を予測するために化学で使用されるシンプルで効果的な方法です。この理論は、1960年代初頭にロナルド・ギレスピーとロナルド・ナイホルムによって提案され、分子中の中央原子周りの電子対相互作用によって決定される分子構造を理解するために不可欠です。
VSEPR理論の基本
VSEPR理論は、分子の形を予測するためのいくつかの基本原則に基づいています:
- 結合、および非結合（孤立電子対）の電子対は互いに反発し、それにより中央原子の周りにできるだけ離れて配置されます。
- 分子の幾何学は、中央原子の周りに存在する電子対の数と種類によって決まります。
- 孤立電子対は結合対よりも大きな反発を及ぼし、それにより結合角が理想的な値から逸脱します。
電子対の種類
分子の形を調べる前に、VSEPR理論で考慮される2種類の電子対を理解する必要があります:
- 結合対: これらは共有結合を形成するために2つの原子間で共有されます。
- 非結合対（孤立電子対）: これらは原子間で共有されず、通常その反発力のため形により大きな影響を与えます。
一般的な分子の幾何学
以下は、VSEPR理論に従った一般的な分子の幾何学とその視覚的な例です:
直線形幾何学
AB 2型の分子は中央のA原子から180度離れた位置に2つのB原子がある直線形幾何学を持ちます。この例としては二酸化炭素、CO 2があります。
三角平面幾何学
BF 3のような分子は三角平面幾何学を持ち、ここではB原子は1つの平面上で120度の角度で広がっています。
正四面体幾何学
正四面体形状は、約109.5°の結合角を持ち、メタンCH 4などの分子に見られます。
単結合の影響
孤立電子対は分子の形を決定する上で重要です。増加した反発力のためより多くの空間を占め、結合角に変化をもたらします:
屈折形幾何学
水H 2 Oを考えてみてください。酸素上の2つの孤立電子対の存在は、理想的な109.5度の角度が設定されるところを、約104.5度に水素原子間の結合角を圧縮します。
三角錐形幾何学
アンモニアNH 3では、孤立電子対が分子を三角錐形に適応させ、理想的な109.5°の角度を約107°に削減します。
VSEPRを使用した分子の幾何学を決定する手順
- ルイス構造を書く: 電子を原子の周りに配置してそれらのオクテットを満たすように構造を決定します。
- 電子対を特定する: 中央原子の周りの電子密度（結合および非結合）領域を計算します。
- 電子対の幾何学を決定する: 電子対の合計数を対応する幾何学と関連付けます。
- 孤立電子対を考慮する: 実際の分子の形を決定するために孤立電子対からの反発に合わせて幾何学を調整します。
分子形状予測の例
例1: メタン(CH 4)
ルイス構造: 4つの水素原子が炭素の中央原子に接続されています。炭素上に孤立電子対は見つかりません。
分類: 正四面体形に一致する4つの結合対。
形: 正四面体形、結合角は約109.5°。
例2: 二酸化硫黄(SO 2)
ルイス構造: 硫黄は中央原子であり、2つの酸素原子と結合し1つの孤立電子対を持っています。
分類: 2つの結合対と1つの孤立電子対は正三角形平面の初期の幾何学を与えます。
形: 孤立電子対の反発による屈曲またはV字形。結合角は約119度です。
化学における応用
VSEPR理論は共有結合化合物の分子の幾何学を予測するために非常に価値があります。この洞察は、化合物の物理的特性、反応性、および実験室内での新しい化学物質の設計を決定する上で重要です。分子の形の理解は、薬の設計や新しい材料の合成などの分野で、異なる分子間の相互作用を発見するのに役立ちます。
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