เรขาคณิตโมเลกุล

เรขาคณิตโมเลกุลบอกการจัดวางนิวเคลียสในอวกาศ สำหรับโมเลกุลหมู่หลัก VSEPR เป็นแบบจำลองเริ่มต้นที่มีประโยชน์ โดยมองว่าบริเวณความหนาแน่นอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางจัดตัวให้ห่างกันมากที่สุด

นับบริเวณอิเล็กตรอน

พันธะเดี่ยว คู่ หรือสามแต่ละชุดนับเป็นหนึ่งบริเวณโดยทั่วไป และคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวก็นับหนึ่งบริเวณ สองบริเวณให้แนวเส้นตรงประมาณ 180° สามบริเวณให้สามเหลี่ยมระนาบประมาณ 120° และสี่บริเวณให้เตตระฮีดรัลประมาณ 109.5°

เรขาคณิตอิเล็กตรอนกับรูปร่างโมเลกุล

CH₄ มีบริเวณพันธะสี่บริเวณจึงเป็นเตตระฮีดรัล NH₃ มีสามพันธะกับหนึ่งคู่โดดเดี่ยว จึงมีเรขาคณิตอิเล็กตรอนแบบเตตระฮีดรัลแต่รูปร่างโมเลกุลเป็นพีระมิดฐานสามเหลี่ยม H₂O มีสองพันธะกับสองคู่โดดเดี่ยว จึงเป็นรูปงอ

ตัวอย่างสองและสามบริเวณ

CO₂ มีสองบริเวณรอบ C กลาง จึงเป็นเส้นตรง BF₃ มีสามบริเวณ B–F และไม่มีคู่โดดเดี่ยว จึงเป็นสามเหลี่ยมระนาบ พันธะพหุคูณยังนับเป็นหนึ่งบริเวณ แม้แรงผลักจริงอาจต่างจากพันธะเดี่ยว

ห้าและหกบริเวณ

PCl₅ ในแบบจำลองอุดมคติมีห้าบริเวณเป็นไตรโกนัลไบพีระมิดัล ส่วน SF₆ มีหกบริเวณเป็นออกตะฮีดรัล ในโครงห้าบริเวณ คู่โดดเดี่ยวมักชอบตำแหน่งเส้นศูนย์สูตรเพราะมีปฏิสัมพันธ์ 90° น้อยกว่า

ขอบเขตของ VSEPR

VSEPR ทำนายรูปร่างและมุมคร่าว ๆ ของโมเลกุลหมู่หลักได้ดี แต่ไม่ให้ความยาวพันธะ มุมละเอียด สถานะอิเล็กทรอนิก หรือโครงสร้างของสารเชิงซ้อนโลหะแทรนซิชันได้ครบ เมื่อมีข้อมูลโครงสร้างทดลองหรือแบบจำลองควอนตัมที่ดีกว่า ควรใช้ข้อมูลนั้นเป็นหลัก

ลำดับแรงผลักและมุมพันธะ

ตามภาพ VSEPR แรงผลักคู่โดดเดี่ยว–คู่โดดเดี่ยวมักมากกว่าคู่โดดเดี่ยว–คู่พันธะ และมากกว่าคู่พันธะ–คู่พันธะ จึงอธิบายได้ว่ามุม 109.5° ใน CH₄ ลดลงใน NH₃ และลดลงอีกใน H₂O

พันธะพหุคูณนับเป็นหนึ่งบริเวณ แต่มีความหนาแน่นอิเล็กตรอนเข้มข้นกว่าและอาจผลักบริเวณข้างเคียงต่างจากพันธะเดี่ยวเล็กน้อย จึงพบมุมจริงเบี่ยงจากค่าดีที่สุดของแบบจำลองได้

รูปทรงเชื่อมกับสมบัติอื่น

เรขาคณิตมีผลต่อการซ้อนทับของออร์บิทัล ทิศของคู่โดดเดี่ยว ความแออัดเชิงสเตอริก และผลรวมเวกเตอร์ของไดโพล ดังนั้นรูปทรงที่หาได้จาก VSEPR จึงเป็นพื้นฐานในการอธิบายสภาพขั้ว ความเป็นกรด–เบส และความไวต่อปฏิกิริยา ไม่ใช่เพียงชื่อรูปร่าง

จากโครงสร้างลิวอิสสู่ VSEPR

วิธีทำโจทย์ที่เชื่อถือได้คือเริ่มจากนับอิเล็กตรอนเวเลนซ์ วาดโครงสร้างลิวอิสที่สอดคล้องกับประจุรวม จากนั้นนับบริเวณอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลาง แล้วจึงแยกชื่อเรขาคณิตอิเล็กตรอนออกจากรูปร่างโมเลกุล

ถ้ามีเรโซแนนซ์ อย่านับพันธะคู่ในแต่ละภาพเป็นบริเวณเพิ่ม พันธะหลายลำดับที่เชื่อมอะตอมคู่เดียวกันยังเป็นบริเวณอิเล็กตรอนหนึ่งบริเวณใน VSEPR การนับผิดตรงนี้ทำให้รูปทรงผิดทั้งชุด

แบบฝึกหัด

NH₃

N กลางมีบริเวณกี่บริเวณและรูปร่างอะไร?

เฉลย: 3 พันธะ + 1 คู่โดดเดี่ยว = 4 บริเวณ รูปร่างโมเลกุลเป็นพีระมิดฐานสามเหลี่ยม

CO₂

พันธะคู่สองด้านนับกี่บริเวณ?

เฉลย: 2 บริเวณ จึงเป็นเส้นตรง มุมอุดมคติ 180°

SF₆

พันธะ S–F หกพันธะ ไม่มีคู่โดดเดี่ยว

เฉลย: 6 บริเวณ เป็นเรขาคณิตออกตะฮีดรัล