分子形状：构建三维分子！
你有没有想过，为什么水会写成 \(\text{H}_2\text{O}\) 且呈现角形，又或者为什么甲烷是四面体？分子可不是纸上扁平的图画；它们都是三维结构！了解它们的形状超级重要，因为这能帮助我们预测分子的极性、分子间作用力、沸点以及化学反应性。
在这一章，我们将会变成分子建筑师！你将会学习如何预测和绘制符合八隅体规则的分子、扩展／未满八隅体的分子（例如 \(\text{BeCl}_2\)、\(\text{BF}_3\)、\(\text{PCl}_5\) 和 \(\text{SF}_6\)）、含有多重键的物种以及多原子离子的三维形状。
核心概念：价层电子对互斥理论 (VSEPR 理论)
这名字为什么这么长？
我们来拆解 VSEPR 吧：
• 价层 (Valence Shell)： 我们只关注中心原子最外层的电子。
• 电子对／电子区域 (Electron Pair / Domain)： 价电子以成键电子对或孤对电子的形式存在。在预测几何形状时，多重键（双键／三键）算作单一个电子区域。
• 互斥 (Repulsion)： 带负电荷的电子区域会互相排斥，并在三维空间中尽可能地分散开来，以将静电互斥力减至最低。
两种电子对
1. 成键电子对 (BPs)： 在中心原子与键合原子之间共享的电子对。
2. 孤对电子 (LPs)： 局限于中心原子上、没有参与成键的价电子对。
重要原理：孤对电子仅由一个原子核吸引，因此它们的电子云分布得更广，并施加比成键电子对更强的排斥力：
孤对电子－孤对电子互斥力 > 孤对电子－成键电子对互斥力 > 成键电子对－成键电子对互斥力
预测分子形状的五步指南
步骤一： 找出分子中的中心原子。
步骤二： 确定中心原子的价电子数（对于主族元素，这等于其族数；若处理离子则需根据电荷调整：阴离子加上电子，阳离子减去电子）。
步骤三： 确定成键电子对／键合原子的数量。
步骤四： 计算中心原子上的孤对电子 (LPs) 数量：
\(\text{LPs} = \frac{\text{Valence electrons} - \text{electrons used in bonding}}{2}\)
步骤五： 计算电子区域总数（成键区域 + 孤对电子）以找出电子对几何排列，然后根据原子的位置推导出分子形状。
个案研究：符合八隅体规则的分子
1. 甲烷 (\(\text{CH}_4\))
• 中心原子： 碳（第 14 族：4 个价电子）。
• 成键电子对： 4；孤对电子： 0。
• 电子对总数： 4
• 分子形状： 四面体
• 键角： 109.5°
• 三维绘图： 使用“楔形和虚线”表示法（实心楔形代表从纸面伸出，虚线代表伸入纸面）。
2. 氨 (\(\text{NH}_3\))
• 中心原子： 氮（第 15 族：5 个价电子）。
• 成键电子对： 3；孤对电子： 1。
• 电子对总数： 4（四面体电子排列）。
• 分子形状： 三角锥形
• 键角： 约 107° （孤对电子更强烈地排斥成键电子对，将键角从 109.5° 挤压变小）。
3. 水 (\(\text{H}_2\text{O}\))
• 中心原子： 氧（第 16 族：6 个价电子）。
• 成键电子对： 2；孤对电子： 2。
• 电子对总数： 4（四面体电子排列）。
• 分子形状： 角形 / V 形
• 键角： 约 104.5° （两对孤对电子产生更大的排斥力，进一步挤压键角）。
非八隅体中心原子（无孤对电子）
某些中心原子的价电子层未满八隅体（少于 8 个价电子）或出现扩展八隅体（利用 d 轨道容纳多于 8 个价电子）：
4. 氯化铍 (\(\text{BeCl}_2\)) — 未满八隅体
• 中心原子： 铍（第 2 族：2 个价电子）。
• 成键电子对： 2；孤对电子： 0。
• 分子形状： 直线形
• 键角： 180°
5. 三氟化硼 (\(\text{BF}_3\)) — 未满八隅体
• 中心原子： 硼（第 13 族：3 个价电子）。
• 成键电子对： 3；孤对电子： 0。
• 分子形状： 平面三角形
• 键角： 120°
6. 五氯化磷 (\(\text{PCl}_5\)) — 扩展八隅体
• 中心原子： 磷（第 15 族：5 个价电子）。
• 成键电子对： 5；孤对电子： 0。
• 分子形状： 双三角锥形
• 键角： 90°（轴向－赤道向）和 120°（赤道向－赤道向）。
7. 六氟化硫 (\(\text{SF}_6\)) — 扩展八隅体
• 中心原子： 硫（第 16 族：6 个价电子）。
• 成键电子对： 6；孤对电子： 0。
• 分子形状： 八面体
• 键角： 90°
含有多重键的分子与多原子离子
含有多重键的分子
在 VSEPR 理论中，双键或三键均视为单一个电子区域：
• 二氧化碳 (\(\text{CO}_2\))： 碳与氧形成两个双键 (\(\text{O=C=O}\))。C 周围有 2 个电子区域且有 0 个孤对电子 \(\rightarrow\) 直线形，键角 180°。
• 甲醛 (\(\text{HCHO}\))： 碳形成两个 C-H 单键和一个 C=O 双键。C 周围有 3 个电子区域且有 0 个孤对电子 \(\rightarrow\) 平面三角形，键角约 120°。
多原子离子
• 铵根离子 (\(\text{NH}_4^+\))： 氮具有 \(5 - 1 = 4\) 个价电子。形成 4 个成键电子对和 0 个孤对电子 \(\rightarrow\) 四面体，键角 109.5°。
• 水合氢离子 (\(\text{H}_3\text{O}^+\))： 氧具有 \(6 - 1 = 5\) 个价电子。形成 3 个成键电子对和 1 个孤对电子 \(\rightarrow\) 三角锥形，键角约 107°。
HKDSE 分子形状总结表
分子／离子: \(\text{BeCl}_2\), \(\text{CO}_2\)
成键区域: 2
孤对电子: 0
形状: 直线形
键角: 180°
分子／离子: \(\text{BF}_3\), \(\text{HCHO}\)
成键区域: 3
孤对电子: 0
形状: 平面三角形
键角: 120°
分子／离子: \(\text{CH}_4\), \(\text{NH}_4^+\)
成键区域: 4
孤对电子: 0
形状: 四面体
键角: 109.5°
分子／离子: \(\text{NH}_3\), \(\text{H}_3\text{O}^+\)
成键区域: 3
孤对电子: 1
形状: 三角锥形
键角: ~107°
分子／离子: \(\text{H}_2\text{O}\)
成键区域: 2
孤对电子: 2
形状: 角形 / V 形
键角: ~104.5°
分子／离子: \(\text{PCl}_5\)
成键区域: 5
孤对电子: 0
形状: 双三角锥形
键角: 90°, 120°
分子／离子: \(\text{SF}_6\)
成键区域: 6
孤对电子: 0
形状: 八面体
键角: 90°
重点提示
1. 电子互斥： 电子区域会互相分散以将排斥力减至最低。排斥力顺序为：\(\text{LP-LP} > \text{LP-BP} > \text{BP-BP}\)。
2. 多重键： 在判断分子几何形状时，双键和三键均算作单一个电子区域。
3. 电子对几何排列与分子形状的区别： 所有电子区域的排列决定了基本几何构型，但分子形状的命名仅取决于键合原子的空间位置。