VSEPR
Valence shell electron pair repulsion theory (VSEPR) 는 electron pair 사이의 electrostatic repulsion 을 기반으로 분자의 모양을 예측한다.
기본적으로 lone pair든, single bond든, multiple bond든 분자의 모양을 예측할 때는 비슷한 기여를 한다고 생각한다. 다만 그 정도의 차이가 있을 뿐.
이를 통해서 왜 암모니아의 H-N-H angle이 물분자의 H-O-H angle보다 큰지 이해할 수 있다.
Steric number (SN)
AXmEn이라는 분자가 있다고 하자.
A = central atom, X = A 주위의 atom, E = a lone “pair” electron
SN = m + n 으로 정의 되고, 따라서 주위에 몇 개의 electron pair가 있는지, 구체적으로는 몇 개의 bond (m) 와 lone pair (n)가 있는지 나타낸다.
electron pair의 분포가 두 개의 nucleus 사이에 제한되어 있는 bonding pair (bp)와 달리 lone pair (lp)는 하나의 nucleus에만 종속되어 있으므로 더 넓은 공간을 차지하게 된다.
따라서 electron pair 사이의 repulsion은 lp-lp > lp-bp > bp-bp 순으로 크다.
SN = 5
Molecular geometry가 linear (SN = 2), planar triangular (SN = 3), tetrahedral (SN = 4), octahedral (SN = 6)인 경우는 어느 정도 직관적으로 쉽게 예측이 가능하지만 SN = 5 (or SN = 7) 인 경우는 어렵다.
SN = 5인 경우는 주로 Trigonal bipyramidal 형태인데, 3개의 atom이 central triangular plane을 이루고 있고 위 아래로 하나씩 electron pair 가 존재한다.
이때 lone pair는 주로 triangular plane에 위치하게 되는데, lone pair가 위아래(axial)쪽에 존재하게 되면 triangular plane 상의 세개의 bonding pair를 밀어내야하지만, triangular plane 상(equatorial)에 존재하게 되면 2개의 axial bonding pair만 밀어내면 되기 때문이다.
같은 이유로 lone pair가 두 개 (or 3개) 일때도 마찬가지로 triangular plane에 위치하게 된다.
Multiple bond
double bond나 triple bond는 π electrons 때문에 single bond보다 repulsion이 크다. 따라서 multiple bonding pair는 lone pair와 비슷하게 작용하는데, 실제로 SN = 5인 경우 위의 설명과 매우 유사하게 작용한다.