Форма молекулы определяется распределением электронных пар вокруг центрального атома. Ключевым принципом является минимизация отталкивания между областями повышенной электронной плотности, что лежит в основе теории VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion). Электронные пары делятся на связанные пары, участвующие в химических связях, и свободные (неназначенные) пары, которые оказывают более сильное отталкивающее воздействие на соседние электроны.
Основные электронные геометрии:
Свободные пары занимают больше пространства, чем связанные, что приводит к уменьшению углов связи в молекуле по сравнению с идеальными электронными геометриями.
Множество кратных связей (двойных и тройных) оказывает значительное влияние на форму молекулы. Двойная связь создаёт более плотное облако электронной плотности, чем одинарная, что увеличивает отталкивание соседних связей. Например, в этиленовой молекуле (C₂H₄) двойная связь между атомами углерода сохраняет плоскую структуру, а углы C–H–C близки к 120°. Тройные связи (например, в ацетилене, C₂H₂) формируют линейную геометрию с углом 180°.
Геометрия молекулы напрямую влияет на её полярность. Даже если отдельные химические связи полярны, симметричное расположение атомов может приводить к взаимной компенсации дипольных моментов. Примеры:
Таким образом, предсказание полярности невозможно без учёта пространственного расположения атомов.
Электронные эффекты заместителей на центральный атом могут изменять углы связи. Электроотрицательные атомы и группы вытягивают электронную плотность, увеличивая отталкивание в соседних связях. Это объясняет, почему молекулы с галогенами или кислородсодержащими заместителями демонстрируют отклонения углов от идеальной геометрии.
Гибридизация орбиталей также играет ключевую роль. Например:
Гибридизация определяет направление, в котором электронные пары занимают пространство, и является теоретической основой для предсказания молекулярной формы.
В сложных соединениях и координационных комплексах геометрия определяется не только количеством электронных пар вокруг центрального атома, но и стерическим влиянием лигандов и электронными взаимодействиями между центрами. Например, в октаэдрических комплексах металлов углы между лигандами строго 90°, однако наличие объёмных или электронно насыщенных лигандов может вызывать деформацию структуры, снижая симметрию до D₄h или C₄v.
Предсказание геометрии в таких случаях требует учёта электронного и стерического факторов одновременно, часто с применением вычислительных методов, таких как метод молекулярных орбиталей или теории плотностного функционала (DFT).
Молекулы стремятся к минимальной потенциальной энергии, что отражается в их геометрии. Энергетические аспекты включают:
Стабильная геометрия достигается компромиссом между этими факторами, что объясняет отклонения углов связи от идеальных значений, предсказанных простыми моделями VSEPR.