Теория отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR)

Теория отталкивания электронных пар валентной оболочки (Valence Shell Electron Pair Repulsion, VSEPR) объясняет геометрию молекул и ионов на основе минимизации кулоновского отталкивания между электронными парами вокруг центрального атома. Основной постулат заключается в том, что электронные пары, образующиеся в валентной оболочке атома, стремятся расположиться максимально далеко друг от друга, чтобы уменьшить энергию системы. Это положение определяет пространственное строение молекулы.

Электронные пары делятся на связующие (участвующие в образовании химических связей) и несвязующие (свободные). Свободные пары занимают больше объёма, чем связывающие, что приводит к деформациям геометрии молекул.

Типы электронных пар и их влияние на геометрию

1. Связующие пары (bonding pairs) Образуются при делении электронной плотности между атомами, формируя ковалентные связи. Расстояние между ними определяется длиной химической связи.

2. Свободные пары (lone pairs) Не участвуют в связывании, но оказывают значительное отталкивающее воздействие на соседние пары. Свободные пары уменьшают угол между связями по сравнению с идеальной геометрией, рассчитанной только на основе связующих пар.

3. Множественные связи (двойные, тройные) Распределяют электронную плотность более локализованно, чем одиночные связи, создавая усиленное отталкивание по сравнению с одиночными связями.

Геометрические модели VSEPR

Молекулы классифицируются по количеству электронных областей (связующих и свободных пар) вокруг центрального атома:

1. Двухэлектронные области — линейная геометрия

   • Угол связи: 180°
   • Пример: CO₂

2. Трёхэлектронные области — треугольная плоская геометрия

   • Угол связи: 120°
   • Пример: BF₃
   • Если одна пара свободная — угловая форма с углом <120°

3. Четырёхэлектронные области — тетраэдрическая геометрия

   • Угол связи: 109,5°
   • Пример: CH₄
   • Одна свободная пара: тригональная пирамида, угол <109,5° (NH₃)
   • Две свободные пары: угол ещё меньше, угловая молекула (H₂O)

4. Пятиэлектронные области — тригональная бипирамида

   • Углы: 90° и 120°
   • Свободные пары занимают экваториальные позиции, чтобы минимизировать отталкивание.
   • Пример: PCl₅ (без свободных пар)

5. Шестииэлектронные области — октаэдрическая геометрия

   • Углы: 90°
   • Пример: SF₆
   • Свободные пары снижают симметрию, создавая формы типа квадратной пирамиды или квадратной плоскости.

Порядок силы отталкивания электронных пар

VSEPR устанавливает иерархию влияния пар на молекулярную геометрию:

свободная–свободная > свободная–связывающая > связывающая–связывающая

• Свободные пары оказывают наибольшее давление, потому что их электронная плотность не ограничена ядром соседнего атома.
• Множественные связи создают большее отталкивание, чем одиночные, но меньше, чем свободные пары.

Применение VSEPR

• Прогнозирование форм молекул: Позволяет предсказать пространственное строение без квантово-химических расчётов.
• Химическая реактивность: Геометрия молекул влияет на полярность, кислотно-основные свойства и способность к комплексообразованию.
• Интерпретация спектров: Положение атомов и углы связи важны для анализа ИК- и ЯМР-спектров.

Ограничения теории VSEPR

• Теория не учитывает детали электронного облака и эффекты д-орбиталей, особенно для переходных металлов.
• Не всегда точно предсказывает углы связи при наличии значительного различия в электроотрицательности атомов.
• Не учитывает резонансные структуры и делокализованные электроны, которые могут изменять геометрию молекулы.

VSEPR остаётся фундаментальным инструментом для понимания структуры молекул, позволяя систематизировать пространственное распределение атомов и предсказывать их геометрические особенности на основе простых принципов отталкивания электронных пар.