10.1: Теория VSEPR и основные формы

Обзор теории VSEPR

Теория отталкивания электронных пар валентной оболочки (ОЭПВО, или теория VSEPR по-английски) позволяет нам предсказать молекулярную структуру, включая приблизительные углы связи вокруг центрального атома, молекулы от исследования количества связей и одиночных электронных пар в его структуре Льюиса. Модель VSEPR предполагает, что пары электронов в оболочке валентности центрального атома примут схему, которая минимизирует отталкивания между этими парами электронов, максимизируя расстояние между ними. Электроны в валентной оболочке центрального атома образуют либо связанные пары электронов, расположенные преимущественно между связанными атомами, либо неподелённые пары. Электростатическое отталкивание этих электронов уменьшается, когда различные области высокой электронной плотности принимают положения как можно дальше друг от друга.

Теория VSEPR предсказывает расположение электронных пар вокруг каждого центрального атома и, как правило, правильное расположение атомов в молекуле. Однако мы должны понимать, что теория рассматривает только отталкивания электронных пар. Другие взаимодействия, такие как атомные отталкивания и аттракционы атомов, также участвуют в окончательном устройстве, которое атомы принимают в определенной молекулярной структуре.

Применение теории VSEPR

Для прогнозирования структуры молекул можно использовать теорию VSEPR. Например, давайте спрогнозируем структуру молекулы газообразного CO2. Структура Льюиса CO₂ (рис. 1) показывает только две группы электронов вокруг центрального атома углерода. При наличии двух связных групп и отсутствии неподелённых пар электронов на центральном атоме связи находятся как можно дальше друг от друга, а электростатическое отталкивание между этими областями высокой электронной плотности уменьшается до минимума, когда они находятся на противоположных сторонах центрального атома. Угол связи составляет 180°.

В таблице ниже представлены геометрии пар электронов, которые минимизируют отталкивания между областями высокой электронной плотности (связи и/или одиночные пары). Две области электронной плотности вокруг центрального атома в молекуле образуют линейную геометрию; три области образуют тригональную плоскую геометрию; четыре области образуют тетраэдрическую геометрию; пять областей образуют тригональную бипирамидальную геометрию, а шесть областей образуют октаэдральную геометрию.

	BeF2	BF3	CH4	PCL5	SF6
Количество областей электронов	2	3	4	5	6
Геометрия области электронов	Линейный; угол 180°	Трехугольный плоский; все углы 120°	Тетраэдр; все углы 109.5°	Тригональная бипирамидальная, углы 90° или 120°.	Октаэдрический; все углы 90° или 180°.
Пространственное расположение

Таблица 1. Основные геометрии пар электронов, предсказанные теорией VSEPR, максимально увеличивают пространство вокруг любой области электронной плотности (связей или одиночных пар).

Этот текст был адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 7.6: Молекулярная структура и полярность.

Отталкивание электронных пар валентной оболочки, или теория ОЭПВО служит инструментом для предсказания молекулярной структуры. Она предполагает, что отрицательно заряженные электронные группы, которые могут быть электронами, участвующими в одинарной связи, кратных связях или входят в неподеленные пары, отталкиваются друг от друга и стараются оставаться на максимально возможном расстоянии друг от друга, чтобы минимизировать отталкивание. Представьте себе набор связанных вместе воздушных шаров.

Каждый воздушный шар ориентируется как можно дальше от другого. Молекулярная геометрия продиктована расположением различных электронных групп вокруг центрального атома. Фторид бериллия имеет две электронные группы вокруг центрального атома.

Согласно ОЭПВО, минимальное отталкивание между этими электронными группами достигается за счет максимального разнесения. Таким образом, валентный угол составляет сто восемьдесят градусов, а форма молекулы является линейной. Трифторид бора имеет три электронные группы вокруг центрального атома бора.

Отталкивание между этими группами можно свести к минимуму, если предположить, что валентный угол составляет сто двадцать градусов. Теория ОЭПВО предсказывает, что молекула имеет треугольную плоскую геометрию. В случае метана центральный атом углерода окружают четыре группы электронов.

Они находятся дальше всего, когда валентный угол составляет сто девять целых пять десятых градуса и молекула принимает трехмерную тетраэдрическую геометрию. Если пять воздушных шаров связаны вместе, максимальное разнесение достигается, когда три шара находятся в одной плоскости, а оставшиеся два размещаются по обе стороны от плоскости. Пентахлорид фосфора имеет пять электронных групп вокруг центрального атома.

Три экваториальных атома хлора разделены валентным углом в сто двадцать градусов и имеют треугольное расположение на плоскости. Над и под плоскостью находится по одному атому хлора. Угол между экваториальным и осевыми атомами хлора составляет девяносто градусов.

Молекула имеет тригонально-бипирамидальную геометрию. В гексафториде серы вокруг атома серы имеется шесть электронных групп. Четыре группы занимают одну плоскость.

Две другие группы лежат по обе стороны от этой плоскости. Геометрия молекулы октаэдрическая. Все связи эквивалентны, а углы связи составляют девяносто градусов.

Эти примеры показывают, что от двух до шести связывающих электронных групп вокруг центрального атома образуют пять основных молекулярных форм:линейная, треугольная плоская, тетраэдрическая, треугольно-бипирамидальная и октаэдрическая.