分子の形（VSEPR）

メタンの結合どうしの角度は109.5°、アンモニアは107°、水は104.5°です。どれも中心のまわりに四つの電子対があります。

四つの風船の口をまとめて結ぶと、風船はひとりでにある形に落ち着きます。たがいにできるだけ離れて、正四面体の頂点の方向を向くのです。原子のまわりの電子対もとてもよく似たふるまいをします。どれも負の電荷をもってたがいに反発し、反発がいちばん小さくなるように広がります。分子の形は、電子対がどこに落ち着くかで決まります。

この考え方を原子価殻電子対反発則、略してVSEPRといい、1957年にロナルド・ギレスピーとロナルド・ナイホルムが示しました。使うときは、中心原子のまわりの電子領域を数えます。単結合・二重結合・三重結合は、どれも電子が同じ方向を向いているので、それぞれ一つの領域と数えます。非共有電子対、つまりその原子に属しているが結合には使われていない電子対も、一つの領域と数えます。

二つ、三つ、四つの領域

二つの領域は180°離れた反対向きになり、直線形の分子になります。二酸化炭素O=C=Oは二つの二重結合をもち、炭素には非共有電子対がないので一直線です。三つの領域は120°ずつ平らな三角形に広がり、平面三角形になります。エテンのそれぞれの炭素には三つの領域（二つのC-H結合とC=C二重結合）があり、分子全体が平らです。測定されたH-C-Hの角度は117.6°で、理想の値に近いです。四つの領域は109.5°で正四面体の頂点を向きます。メタンが教科書の代表例です。

非共有電子対が角度を狭める

アンモニアと水も中心原子のまわりに四つの領域がありますが、そのいくつかは非共有電子対です。NH₃の窒素には結合が三つと非共有電子対が一つ、H₂Oの酸素には結合が二つと非共有電子対が二つあります。非共有電子対は一つの原子核にしか引きつけられないので、その原子の近くに広がり、共有電子対よりも強くとなりの結合を押します。結合どうしは押し縮められます。アンモニアではH-N-Hの角度が109.5°から約107°に狭まり、非共有電子対が二つある水ではH-O-Hの角度がさらに104.5°まで狭まります。

形の名前は、非共有電子対ではなく原子の位置を表します。アンモニアは三角錐形とよばれ、窒素が頂点にある低いピラミッドです。水は折れ線形とよばれます。モデルで「非共有電子対」をオンにすると、アンモニアの正四面体の見えない四つ目の頂点と、水の正四面体を完成させる二つの頂点が見えます。モデルでは黄色のふくらみに電子を表す小さな点を二つ描いていますが、本物の非共有電子対ははっきりした輪郭のない電荷の雲です。

大きな分子には中心が複数あり、それぞれに同じ規則を当てはめます。エタンではどの炭素も単結合を四つもつので、それぞれの炭素は正四面体形で、分子は三次元にジグザグになります。メタノールCH₃OHでは炭素は正四面体形で、結合が二つと非共有電子対が二つある酸素は、水の酸素と同じように折れ線形です。ベンゼンは反対の例です。六つの炭素のそれぞれに三つの領域があるので、十二の原子すべてが120°の角度をもつ六角形の中で平らに並びます。モデルでそれぞれを選び、真横から見て確かめましょう。