分子幾何学：概念、タイプ、例 - 化学 - 2025

分子構造または分子構造は中心原子の周りの原子の空間的配置です。原子は、電子密度が高い領域を表すため、それらが形成する結合（シングル、ダブル、トリプル）に関係なく、電子グループと見なされます。

要素の分子形状は、その物理的または化学的特性（沸点、粘度、密度など）の一部を特徴付けることができます。たとえば、水の分子構造は溶解度を決定します。

出典：GabrielBolívar

この概念は、原子価結合（TEV）の原子価結合と、原子価殻（RPECV）の電子対の反発力の2つの理論の組み合わせと実験データから生じます。1つ目は結合とその角度を定義しますが、2つ目はジオメトリを確立し、その結果、分子構造を確立します。

分子が採用できる幾何学的形状は何ですか？前の2つの理論が答えを提供します。RPECVによれば、原子と自由電子のペアは、それらの間の静電反発力を最小限に抑えるような方法で空間に配置する必要があります。

したがって、幾何学的形状は任意ではなく、最も安定した設計を求めます。たとえば、上の画像では、左側に三角形があり、右側に八面体があります。緑のドットは原子を表し、オレンジは結合をストライプ化します。

三角形では、3つの緑色の点が120º離れた向きになっています。この角度は結合の角度と同じであり、原子が互いに反発し合うのを可能な限り少なくします。したがって、中央の原子が他の3つに結合している分子は、三角形の平面形状を採用します。

ただし、RPECVは、中央の原子にある自由な電子のペアがジオメトリを歪めると予測しています。三角面の場合、このペアは3つの緑色の点を押し下げ、三角錐のジオメトリになります。

画像の八面体でも同じことが起こります。その中ですべての原子は可能な限り最も安定した方法で分離されます。

X原子の分子構造を事前に知る方法は？

このため、自由電子のペアを電子グループと見なすことも必要です。これらは、原子とともに、分子幾何学の不可分の仲間である電子幾何学として知られるものを定義します。

電子幾何学から、そしてルイス構造によって自由電子のペアを検出したので、分子幾何学がどうなるかを確立することが可能です。すべての分子形状の合計は、全体的な構造の概要を提供します。

分子形状の種類

メイン画像でわかるように、分子の形状は中央の原子を囲む原子の数に依存します。ただし、共有されていない電子のペアが存在する場合は、多くのボリュームを占めるため、ジオメトリが変更されます。したがって、立体的な効果を発揮します。

これによれば、ジオメトリは多くの分子の一連の特徴的な形状を表すことができます。そして、これが、さまざまなタイプの分子形状または分子構造が生じる場所です。

ジオメトリと構造はいつ等しいですか？構造が複数のタイプのジオメトリを持たない場合にのみ、どちらも同じことを示します。それ以外の場合は、存在するすべてのタイプを考慮し、構造にグローバル名（線形、分岐、球状、フラットなど）を付ける必要があります。

ジオメトリは、ソリッドの構造単位から構造を説明するのに特に役立ちます。

線形

すべての共有結合は方向性があるため、AB結合は線形です。しかし、AB ₂分子は線形になりますか？その場合、ジオメトリは単にBABとして表されます。2つのB原子は180度の角度で分離されており、TEVによれば、Aはハイブリッドsp軌道を持つ必要があります。

角度

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分子AB _2の最初の例では、線形ジオメトリを想定できます。ただし、結論に達する前にルイス構造を描くことが不可欠です。ルイス構造を描くと、A原子上の共有されていない電子対（:)の数を特定できます。

これがそうである場合、Aの上の電子のペアはBの2つの原子を押し下げて、それらの角度を変更します。その結果、線形のBAB分子は最終的にV、ブーメラン、または角度のあるジオメトリに変わります（上の画像）

水分子HOHは、このタイプのジオメトリの理想的な例です。酸素原子には、約109ºの角度で配向された、共有されていない2対の電子があります。

なぜこの角度なのか？電子幾何学は四面体であり、4つの頂点があります。H原子に2つ、電子に2つです。上の画像では、緑色の点と2つの「目を持つ葉」が、中心に青色の点がある四面体を描いていることに注意してください。

Oが自由電子対を持たない場合、水は線形分子を形成し、その極性は減少し、海、海、湖などは既知であるためおそらく存在しません。

四面体

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上の画像は四面体ジオメトリを表しています。水分子の場合、その電子形状は四面体ですが、電子の自由対を排除すると、角度のある形状に変形することに注意できます。これは、2つの緑のドットを削除することによっても観察されます。残りの2つは、青い点でVを描画します。

2対の自由電子の代わりに1つしかなかった場合はどうなりますか？次に、三角形の平面が残ります（メイン画像）。しかしながら、電子基を取り除くことにより、自由電子対により生成される立体効果は避けられない。したがって、三角形の底面が三角形のピラミッドに三角形の平面を変形します。

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三角と四面体のピラミッドの分子形状は異なりますが、電子形状は同じです：四面体。では、三角錐は電子幾何学として数えられないのですか？

これは「眼のある葉」によって引き起こされる歪みとその立体効果の積であるため、答えは「いいえ」であり、このジオメトリはその後の歪みを考慮しません。

このため、分子形状を定義する前に、まずルイス構造を利用して電子形状を決定することが常に重要です。アンモニア分子NH ₃は、三角錐の分子形状の例ですが、四面体の電子形状です。

三角両錐

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TEVによると、これまで線形幾何学を除いて、四面体、角錐体、三角錐の中心原子はsp ³混成である。これは、それらの結合角が実験的に決定された場合、約109度になるはずであることを意味します。

三角錐の形状から、中央の原子の周りに5つの電子グループがあります。上の画像では、5つの緑色の点が表示されています。三角形のベースに3つ、軸位置に2つ、ピラミッドの上と下の頂点です。

青い点はどのような交雑を持っていますか？単結合（オレンジ色）を形成するには、5つのハイブリッド軌道が必要です。これは、5つのsp ³ d 軌道（1 s、3 p、および1 d軌道の混合の積）によって実現されます。

5つの電子グループを考えると、ジオメトリはすでに露出しているものですが、共有されていない電子のペアがあるため、他のジオメトリが生成する歪みの影響を受けます。同様に、次の質問が発生します：これらのペアはピラミッドの任意の位置を占めることができますか？これらは、アキシャルまたは赤道です。

軸および赤道の位置

三角形のベースを構成する緑色の点は赤道の位置にあり、上端と下端の2つの点は軸の位置にあります。非共有電子対はどこに優先的に配置されますか？静電反発力と立体効果を最小限に抑えるその位置に。

アキシャル位置では、電子のペアは三角形のベースに垂直に（90pressure）圧力をかけますが、赤道位置にある場合、ベースの残りの2つの電子グループは120º離れており、両端ではなく90 pressで押します。 3、ベースと同様）。

したがって、中心の原子は、電子の自由対を赤道位置に向けて、より安定した分子形状を生成しようとします。

振動とT字

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三角の両錐のジオメトリで、その原子の1つ以上が自由電子対で置き換えられた場合、分子ジオメトリも異なります。

上の画像の左側で、ジオメトリが振動する形状に変わります。その中で、自由電子対は残りの4つの原子を同じ方向に押し、それらの結合を左に曲げます。このペアと2つの原子が元の両錐の同じ三角形の平面にあることに注意してください。

そして、画像の右側にあるT字型のジオメトリです。この分子ジオメトリは、2つの電子ペアを2つの原子で置き換えた結果、残りの3つの原子が同じ平面に整列し、正確に1つの文字が描かれます。 T.

次に、タイプAB _5の分子の場合、三角双錐ジオメトリを採用します。ただし、同じ電子幾何学を持つAB ₄は振動幾何学を採用します。AB ₃はT字型の形状で、これらすべてでAは（一般に）sp ³ d ハイブリダイゼーションを持ちます。

分子の形状を決定するには、ルイス構造を描く必要があるため、その電子形状を描く必要があります。これが三角双錐である場合、自由な電子のペアは破棄されますが、残りの原子に対する立体効果は破棄されません。したがって、3つの可能な分子形状を完全に識別することができます。

八面体

八面体の分子形状はメイン画像の右側に描かれています。このタイプのジオメトリは、AB ₆コンパウンドに対応しています。AB ₄は正方形のベースを形成し、残りの2つのBは軸位置に配置されます。したがって、八面体の面であるいくつかの正三角形が形成されます。

ここでも、自由電子のペアが（すべての電子形状と同様に）存在する可能性があるため、他の分子形状もこの事実に由来します。たとえば、8面体電子ジオメトリのAB ₅は、底面が正方形のピラミッドと、正方形の平面のAB ₄で構成されます。

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八面体電子幾何学の場合、これら2つの分子幾何学は静電反発の点で最も安定しています。正方形の平面形状では、2対の電子は180度離れています。

これらのジオメトリ（または、それだけの場合は構造）の原子Aのハイブリダイゼーションは何ですか？再び、これは、SP TEV状態であることを³ D ²、Aが八面体の頂点に電子基を配向することを可能にする6つの混成軌道、。

その他の分子形状

これまでに述べたピラミッドのベースを変更することにより、いくつかのより複雑な分子形状を得ることができます。例えば、五角形の両錐は、その塩基に五角形を有し、それを形成する化合物は一般式AB _7を有する。

他の分子形状と同様に、B原子を自由電子対で置き換えると、形状が他の形状に変形します。

また、AB ₈コンパウンドは、正方形アンチプリズムなどの形状を採用できます。一部の形状は、特に数式AB ₇以降（AB _12まで）の場合、非常に複雑になる可能性があります。

分子幾何学の例

主要な分子形状のそれぞれについて、一連の化合物について以下に説明します。演習として、すべての例についてルイス構造を描き、電子幾何学を前提として、分子幾何学が以下にリストされているように得られるかどうかを証明することができます。

線形ジオメトリ

-エチレン、H ₂ C≡CH ₂

-塩化ベリリウム、BeCl ₂（Cl-Be-Cl）

-二酸化炭素、CO ₂（O = C = O）

-窒素、N ₂（N≡N）

-二臭化水銀、HgBr ₂（Br-Hg-Br）

^-三ヨウ化物アニオン、I _3-（III）

-シアン化水素酸、HCN（HN≡C）

それらの角度は180度でなければならないため、spハイブリダイゼーションがあります。

角度ジオメトリ

-水

-二酸化硫黄、SO ₂

-二酸化窒素、NO ₂

-オゾン、O ₃

^-アミドアニオン、NH _2-

三角面

-三フッ化臭素、BF ₃

-三塩化アルミニウム、AlCl ₃

^-硝酸アニオン、NO _3-

-炭酸アニオン、CO ₃ ^2–

四面体

-メタンガス、CH ₄

-四塩化炭素、CCl ₄

-アンモニウムカチオン、NH ₄ ⁺

-硫酸アニオン、SO ₄ ^2-

三角錐

-アンモニア、NH ₃

-カチオンヒドロニウム、H ₃ O ⁺

三角両錐

-五フッ化リン、PF ₅

-五塩化アンチモン、SbF ₅

振動

四フッ化硫黄、SF ₄

T字型

-三塩化ヨウ素、ICL ₃

-三フッ化塩素、ClF ₃（両方の化合物はハロゲン間化合物として知られています）

八面体

-六フッ化硫黄、SF ₆

-六フッ化セレン、SeF ₆

^-ヘキサフルオロホスフェート、PF _6-

結論として、分子幾何学は物質の化学的または物理的特性の観察を説明するものです。ただし、電子幾何学に従って方向付けられるため、後者は常に前者よりも前に決定する必要があります。

参考文献

1. ウィッテン、デイビス、ペック、スタンリー。化学。（第8版）。CENGAGE Learning、p 194-198。
2. 震えとアトキンス。（2008）。無機化学。（第4版、P。23、24、80、169）。Mc Graw Hill。
3. マーク・E・タッカーマン。（2011）。分子幾何学とVSEPR理論。回収元​​：nyu.edu
4. Virtual Chembook、Charles E. Ophardt。（2003）。分子幾何学の紹介。回収元​​：chemistry.elmhurst.edu
5. 化学LibreTexts。（2016年9月8日）。分子のジオメトリ。回収元​​：chem.libretexts.org