VSEPR理論と孤立電子対の効果

電子の孤立電子対が分子の配置（幾何学）に与える影響

重要なのは、中心となる原子の周りの電子対の配置は、分子構造とは同じではないということです。分子構造は、電子ではなく、原子の位置を表しています。すべての電子対を含む幾何学は、電子対幾何学です。電子対幾何学は、電子が配置されているすべての領域、結合だけでなく孤立電子対も記述しています。また、分子内の原子の配置のみを含む構造を分子構造と呼びます。電子対幾何学は、中心原子の周りに孤立電子対がない場合は分子構造と同じになるが、中心原子に孤立電子対がある場合は異なります。

例えば、天然ガスの主成分であるメタン分子（CH₄）は、中心の炭素原子の周りに4つの電子が結合しており、電子対の形状は四面体であり、分子構造も四面体です。一方、アンモニアの分子であるNH₃も、窒素原子に4つの電子対が結合しており、電子対の形状は四面体です。しかし、そのうちの1つの領域には、分子構造に含まれていない孤立電子対があり、この孤立電子対が分子の形状に影響を与えています。

VSEPR 理論に基づく角度の歪み

理想的な角度からの小さな歪みは、電子密度の様々な領域間の反発の違いによって生じます。VSEPR理論では、反発の順序と、異なる種類の電子対が占める空間の量の順序を設定することで、これらの歪みを予測します。電子対の反発が大きいものから小さいものへの順番は次の通りです。

孤立電子対-孤立電子対 > 孤立電子対-結合対 > 結合対 – 結合対

この反発の順序によって、電子の領域ごとに占める空間の大きさが決まります。孤立電子対の電子は、三重結合の電子よりも大きな領域を占め、逆に三重結合の電子は二重結合の電子よりも大きな領域を占める、といった具合です。大きいものから小さいものへと順に並べると次のようになります。

孤立電子対 > 三重結合 > 二重結合 > 単結合

アンモニア分子では、中心の窒素に結合している3つの水素原子は、平らな三角錐の分子構造ではなく、窒素原子を頂点とし、3つの水素原子が底辺を形成する3次元の三角錐の形で配置されています。三角錐の理想的な結合角度は、四面体の電子対の形状に基づいています。この場合も、結合電子よりも孤立電子対の方が空間を広く占めるため、理想的な結合角度とは若干のずれが生じます。NH₃のH-N-H結合の角度は、正四面体の109.5度の角度よりもわずかに小さい。これは、孤立電子対と結合対の反発が、結合対と結合対の反発よりも大きいためです。

VSEPR理論によれば、直線状、三角錐状、四面体状の電子対の形状の中で、末端原子の位置は同等です。分子を回転させて位置を変えることができるので、どのXを孤立電子対に置き換えても問題ないのです。一方、三角錐の電子対形状では、Xの位置は、軸方向（三角錐のモデルを2つの軸方向で保持すると、モデルを回転させることができる軸ができる）と赤道方向（3つの位置が分子の真ん中で赤道を形成する）の2つに分かれています。軸位置は90度の結合角で囲まれているのに対し、赤道位置は120度の結合角で囲まれているため、より広い空間を確保できます。三角両錐の電子対配置では、孤立電子対は常に赤道上に位置します。これは、赤道上の方が大きな孤立電子対を収容しやすいからです。

中心となる原子が2つの孤立電子対と4つの結合領域を持つ場合、八面体の電子対構造となります。2つの孤立電子対は八面体の反対側（180度離れている）にあり、孤立電子対と孤立電子対の反発を最小にする正方形の平面的な分子構造になっています。

この文章は 、 Openstax 、 Chemistry 2e 、 Section 7.6 ： Molecular Structure and Polarity から引用したものです。