価電子対反発（VSEPR）の理論を使用して、結合原子間の角度を予測します。 立体数（中心の原子に結合している他の原子と孤立した電子対の合計）によって、分子の形状が決まります。 孤立した電子対は、原子の外側（価電子）の殻に存在し、他の原子と共有されません。
TL; DR（長すぎる; 読んでいない）
VSEPRを使用して結合角を計算することはできませんが、立体数に基づいてそれらの角度を決定するのに役立ちます。 水素だけが立体数1で、H2分子は直線状です。
混成軌道
電子は、いつでも電子を見つける可能性が最も高い場所によって決定される特徴的な形状で原子を周回します。 電子はすべて負の電荷を持っているため、互いに反発します。そのため、軌道は各電子に隣接する電子から可能な最大距離を与えます。 価電子が別の原子と共有結合を形成すると、混成と呼ばれる過程で軌道が変化します。 VSEPRは、混成軌道に基づいて結合角を予測しますが、特定の金属化合物、ガス状の塩、酸化物については正確ではありません。
Spハイブリダイゼーション
最も単純な混成軌道はspであり、立体数2に対応します。 原子に孤立した電子対がない場合、結合角は線形、つまり180度です。 例は二酸化炭素です。 逆に、窒素分子には孤立電子対が1つあります。 これにより、線形の形状になりますが、ハイブリッド化されていない軌道が得られるため、結合角はありません。
Sp2ハイブリダイゼーション
立体数が3の場合、sp2軌道が形成されます。 結合角は、孤立した電子対の数に依存します。 たとえば、三塩化ホウ素には孤立電子対がなく、三角形の平面形状と120度の結合角があります。 三酸素分子O3は孤立電子対を1つ持ち、118度の結合角で曲がった形状を形成します。 一方、O2は2つの孤立電子対と線形形状を持っています。
Sp3ハイブリダイゼーション
立体数が4の原子は、sp3混成軌道内に0から3個の孤立した電子対を持つことができます。 孤立電子対を持たないメタンは、109.5度の結合角を持つ四面体を形成します。 アンモニアには孤立電子対が1つあり、結合角は107.5度で、三角錐形になっています。 2つの孤立電子対を持つ水は、104.5度の結合角を持つ曲がった形状をしています。 フッ素分子は3つの孤立電子対と直線形状を持っています。
より高い立体数
立体数が多いほど、形状が複雑になり、結合角が異なります。 VSEPRに加えて、分子力場や量子論などの複雑な理論も結合角を予測します。