1. Mụ hỡnh sự đẩy giữa cỏc cặp electron vỏ hoỏ trị:
Mỗi liờn kết cộng hoỏ trị giữa hai nguyờn tử được tạo thành nhờ cặp electron liờn kết hay cặp electron dựng chung. Đụi e liờn kết phõn bố trong khoảng khụng gian giữa hai hạt nhõn nguyờn tử tạo ra liờn kết đú. Liờn kết cộng hoỏ trị là liờn kết cú định hướng khụng gian làm cho phõn tử cú hỡnh dạng nhất định đặc trưng cho phõn tử và cho chất đĩ cho.
Nhiều nguyờn tử sau khi gúp chung e để tạo liờn kết cũn cú cỏc e khụng liờn kết. Chẳng hạn trong N ở NH3 ngồi 3 cặp electron liờn kết với 3 nguyờn tử H, cũn cú 1 cặp e khụng liờn kết. Cỏc cặp electron dự liờn kết hay khụng liờn kết này sẽ đẩy nhau do cựng tớch điện õm.
Trong phõn tử AXn, A là nguyờn tử trung tõm, X là phối tử; n là số phối tử X cú trong AXn. Nếu ở A cũn cú m cặp e khụng liờn kết, mỗi cặp được kớ hiệu là E, ta cú kớ hiệu AXnEm. Mụ hỡnh VSEPR xột sự phõn bố khụng gian giữa A với X, với E. Coi nguyờn tử trung tõm A cú dạng cầu. Tõm của hỡnh cầu là hạt nhõn nguyờn tử A và cỏc electron phi hoỏ trị bờn trong (lừi), vỏ quả cầu là cỏc e lớp ngồi cựng (e hoỏ trị). Mỗi cặp e hoỏ trị chiếm một khoảng khụng gian nào đú của quả cầu.
Như vậy, ở một mức độ nhất định, hỡnh dạng của phõn tử phụ thuộc vào khoảng khụng gian chiếm bởi cỏc e hoỏ trị của nguyờn tử trung tõm A. Hỡnh dạng phõn tử phụ thuộc chủ yếu vào sự phõn bố cỏc cặp e hay cỏc đỏm mõy e hoỏ trị của nguyờn tử A.
2. Nội dung của thuyết sức đẩy giữa cỏc cặp e hoỏ trị (VSEPR)
Vào những năm 1940, N. Sidgwick, H. Powell đưa ra thuyết sức đẩy giữa cỏc cặp electron hoỏ trị và sau đú được cỏc nhà bỏc học khỏc, trong đú cú R. Gillespie, bổ sung và hồn chỉnh.
+ Cấu hỡnh cỏc liờn kết của nguyờn tử (hay ion) phụ thuộc vào tổng số cặp electron hoỏ trị liờn kết hay khụng liờn kết của nguyờn tử.
+ Cỏc obitan cú cỏc cặp e hoỏ trị được phõn bố đều nhau và cỏch nhau xa nhất để cú lực đẩy nhỏ nhất giữa chỳng.
Cú sự khụng tương đương giữa cặp e liờn kết và cặp e khụng liờn kết. Đụi e liờn kết chịu lực hỳt đồng thời của hai hạt nhõn nguyờn tử A và X tạo ra liờn kết đú nờn chuyển động chủ yếu ở vựng khụng gian giữa hai hạt nhõn. Trong khi đú, cặp e khụng liờn kết chỉ chịu lực hỳt của hạt nhõn A nờn cú thể chuyển động ra xa hơn. Kết quả là cặp e khụng liờn kết chiếm khoảng khụng gian rộng hơn so với khoảng khụng gian chiếm bởi cặp e liờn kết.
+ Obitan cú cặp electron khụng liờn kết chiếm khụng gian lớn hơn so với obitan chứa cặp electron liờn kết vỡ thế sức đẩy giữa cỏc cặp electron liờn kết giảm hơn so với cặp khụng liờn
kết. Thớ dụ gúc liờn kết trong cỏc phõn tử CH4, NH3 và H2O tương ứng bằng 109o28’, 107o và
104,5o do cỏc phõn tử cú số cặp electron khụng liờn kết bằng 0, 1 và 2.
+ Khụng gian của cặp electron liờn kết sẽ giảm nếu độ õm điện của cỏc nguyờn tố liờn kết lớn. gúc liờn kết trong NF3 chỉ là 102o so với 107o của NH3. Tương tự gúc liờn kết tgiảm trong dĩy: PI3 (102o), PBr3 (101,5o), PCl3 (100,3o) và PF3 (97,8o).
a) Mụ hỡnh sự đẩy giữa cỏc cặp electron liờn kết: AXn với n = 2 → 6
n=2: hai cặp e được phõn bố trờn đường thẳng. Phõn tử thẳng như BeH2. Gúc liờn kết
XAX bằng 180o.
n=3: ba cặp e được phõn bố trờn ba đỉnh của tam giỏc đều. Phõn tử cú hỡnh tam giỏc đều, phẳng. Gúc XAX bằng 120o. Vớ dụ: BF3, AlCl3,...
n=4: bốn cặp e được phõn bố ở bốn đỉnh tứ diện đều, tõm là A. Phõn tử cú hỡnh tứ diện đều. Gúc XAX bằng 109o28’. Vớ dụ: CH4, NH4+,...
n=5: cú sự phõn bố đồng đều 5 cặp e trờn mặt cầu. Khi kẻ cỏc đường nối cỏc nguyờn tử X với nhau ta cú hỡnh lưỡng thỏp tam giỏc. Vớ dụ minh hoạ: phõn tử PCl5 cú phõn bố lưỡng chúp tam giỏc nờn trong phõn tử cú ba loại gúc liờn kết: trong mặt phẳng cú gúc ClPCl bằng 120o, trong
khi cũn cú gúc ClPCl bằng 90o và gúc 180o. Theo mụ hỡnh VSEPR, năm cặp e được phõn bố
trờn mặt cầu vỏ hoỏ trị như sau: Ba cặp cựng với hạt nhõn A ở trong 1 mặt phẳng, ba cặp này ở ba đỉnh tam giỏc đều tõm A. Cỏc liờn kết được tạo ra trong mặt phẳng này được gọi là liờn kết ngang. Hai cặp e cũn lại được phõn bố trờn hai đầu của đoạn thẳng vuụng gúc với mặt phẳng tam giỏc đều tại A. Hai cặp e này tạo ra hai liờn kết trục. Do sự phõn bố đú nờn độ dài liờn kết ngang ngắn (2,02 nm) hơn độ dài liờn kết trục (2,14 m). Kết quả sự sắp xếp trờn đưa tới một lưỡng thỏp tam giỏc đỏy chung là tam giỏc đều tõm A, hai đỉnh là hai cặp e tạo ra hai liờn kết trục.
n = 6: AX6. với sự phõn bố 6 cặp e trờn mặt cầu vỏ hoỏ trị. Khi kẻ cỏc đường nối cỏc nguyờn tử X với nhau ta cú hỡnh bỏt diện.Vớ dụ minh hoạ: phõn tử SF6. Sỏu cặp e của phõn tử này được phõn bố trờn vỏ hoỏ trị của nguyờn tử A ở sỏu đỉnh của một hỡnh bỏt diện đều. Trong trường hợp này khụng cú sự phõn biệt giữa liờn kết ngang với liờn kết trục về độ dài. Vớ dụ minh hoạ của trường hợp này là phõn tử SF6. Trong phõn tử này, gúc giữa hai trục liờn kết cạnh nhau bằng 90o.
b) Mụ hỡnh sự đẩy giữa cỏc cặp e liờn kết và khụng liờn kết: AXnEm n + m ≤ 6
Nguyờn tử trung tõm A vừa cú n cặp e liờn kết, vừa cú m cặp e khụng liờn kết (kớ hiệu là E). Do khụng cú sự tương đương giữa cặp e liờn kết với cặp e khụng liờn kết, hai trường hợp AXn với AXnEm cú cựng số cặp e nhưng hỡnh dạng hai phõn tử đú khụng hồn tồn giống nhau. Xột một số trường hợp thường gặp:
1) (n + m) ≤ 4
* AX2E:
Ba nguyờn tử A, X, X khụng cũn nằm trờn cựng đường thẳng như trong trường hợp AX2. Lỳc
này phõn tử cú dạng gấp khỳc. Vớ dụ: SnCl2, gúc ClSnCl ≈ 120o. Cú thể dựng phõn tử SO2 làm
thớ dụ với sự đẩy của hai cặp electron liờn kết S = O với 1 cặp electron khụng liờn kết của nguyờn tử S.
* AX3E:
Nguyờn tử trung tõm A cú tổng cộng 4 cặp e nhưng phõn tử khụng cú dạng tứ diện đều như AX4 mà cú hỡnh tam giỏc. Vớ dụ điển hỡnh là NH3, gúc HNH ≈ 107o.
* AX2E2:
Nguyờn tử trung tõm A cũng cú 4 cặp e nhưng do cú 2 cặp e khụng liờn kết nờn hỡnh dạng phõn tử khỏc với AX4 hay AX3E. Phõn tử này cú gúc gần với gúc tứ diện. Vớ dụ: H2O cú gúc HOH ≈ 104o.
Bài tập: Dựng mụ hỡnh VSEPR hĩy dự đoỏn hỡnh dạng phõn tử AXE3.
2) (n + m) = 5 (nguyờn tử trung tõm A cú 5 cặp e).
Nếu AX5 thỡ phõn tử cú hỡnh lưỡng thỏp tam giỏc. Song sự cú mặt của cặp e khụng liờn kết sẽ làm biến dạng hỡnh đú.
*AX4E:
Sự phõn bố E và 4 cặp e liờn kết được mụ tả như hỡnh trờn. Kết quả phõn tử cú hỡnh cỏi bập bờnh. Vớ dụ: phõn tử SF4.
*AX3E2:
Ba cặp e liờn kết tạo 3 liờn kết A-X; sự đẩy tương hỗ giữa 3 cặp e này với nhau và với 2 cặp e khụng liờn kết (E), kết quả tạo ra phõn tử hỡnh chữ T. Vớ dụ: ClF3, HClO2.
* AX5E:
Bốn trong năm cặp e liờn kết được phõn bố trong mặt phẳng; 1 cặp e liờn kết cũn lại được phõn bố trong trục gần vuụng gúc với mặt phẳng trờn. Do đú 5 cặp e liờn kết (hay phần AX5) tạo ra hỡnh thỏp vuụng. Trong cấu tạo này, liờn kết ngang và liờn kết trục khụng tương đương hỡnh học. Chẳng hạn trong BF5, liờn kết trục cú độ dài 169 pm cũn liờn kết ngang cú độ dài tới 177 pm.
* AX4E2:
Theo mụ hỡnh VSEPR, 2 cặp e khụng liờn kết (E) được phõn bố trans so với 4 cặp e liờn kết; mà 4 cặp e liờn kết này được phõn bố trong mặt phẳng tạo ra hỡnh vuụng phẳng. Vớ dụ: phõn tử XeF4.
Việc ỏp dụng mụ hỡnh VSEPR giải thớch được hỡnh dạng của cỏc hợp chất cú liờn kết bội (C2H2, C2H4,...); độ õm điện của cỏc nguyờn tử là phối tử cũng cú ảnh hưởng đến hỡnh dạng phõn tử. Hỡnh dạng phõn tử cũng gắn liền với tớnh chất hoỏ học của phõn tử.
Nhược điểm: khú khăn khụng thể vượt là cỏc halogenua kim loại kiềm thổ dạng MX2 chỉ cú cấu hỡnh thẳng đối với hợp chất của Be cũn đối với hợp chất của Ba đều cú cấu tạo gấp khỳc. Nguyờn nhõn là do ảnh hưởng của cỏc obitan khỏc trong nguyờn tử Bari.