分子形狀：建構三維分子！
你有沒有想過，為什麼水會寫成 \(\text{H}_2\text{O}\) 且呈現角形，又或者為什麼甲烷是四面體？分子可不是紙上扁平的圖畫；它們都是三維結構！了解它們的形狀超級重要，因為這能幫助我們預測分子的極性、分子間作用力、沸點以及化學反應性。
在這一章，我們將會變成分子建築師！你將會學習如何預測和繪畫符合八隅體規則的分子、擴展／未滿八隅體的分子（例如 \(\text{BeCl}_2\)、\(\text{BF}_3\)、\(\text{PCl}_5\) 和 \(\text{SF}_6\)）、含有多重鍵的物種以及多原子離子的三維形狀。
核心概念：價層電子對互斥理論 (VSEPR 理論)
這名字為什麼這麼長？
我們來拆解 VSEPR 吧：
• 價層 (Valence Shell)： 我們只關注中心原子最外層的電子。
• 電子對／電子區域 (Electron Pair / Domain)： 價電子以成鍵電子對或孤對電子的形式存在。在預測幾何形狀時，多重鍵（雙鍵／三鍵）算作單一個電子區域。
• 互斥 (Repulsion)： 帶負電荷的電子區域會互相排斥，並在三維空間中盡可能地分散開來，以將靜電互斥力減至最低。
兩種電子對
1. 成鍵電子對 (BPs)： 在中心原子與鍵合原子之間共享的電子對。
2. 孤對電子 (LPs)： 局限於中心原子上、沒有參與成鍵的價電子對。
重要原理：孤對電子僅由一個原子核吸引，因此它們的電子雲分佈得更廣，並施加比成鍵電子對更強的排斥力：
孤對電子－孤對電子互斥力 > 孤對電子－成鍵電子對互斥力 > 成鍵電子對－成鍵電子對互斥力
預測分子形狀的五步指南
步驟一： 找出分子中的中心原子。
步驟二： 確定中心原子的價電子數（對於主族元素，這等於其族數；若處理離子則需根據電荷調整：陰離子加上電子，陽離子減去電子）。
步驟三： 確定成鍵電子對／鍵合原子的數量。
步驟四： 計算中心原子上的孤對電子 (LPs) 數量：
\(\text{LPs} = \frac{\text{Valence electrons} - \text{electrons used in bonding}}{2}\)
步驟五： 計算電子區域總數（成鍵區域 + 孤對電子）以找出電子對幾何排列，然後根據原子的位置推導出分子形狀。
個案研究：符合八隅體規則的分子
1. 甲烷 (\(\text{CH}_4\))
• 中心原子： 碳（第 14 族：4 個價電子）。
• 成鍵電子對： 4；孤對電子： 0。
• 電子對總數： 4
• 分子形狀： 四面體
• 鍵角： 109.5°
• 三維繪圖： 使用「楔形和虛線」表示法（實心楔形代表從紙面伸出，虛線代表伸入紙面）。
2. 氨 (\(\text{NH}_3\))
• 中心原子： 氮（第 15 族：5 個價電子）。
• 成鍵電子對： 3；孤對電子： 1。
• 電子對總數： 4（四面體電子排列）。
• 分子形狀： 三角錐形
• 鍵角： 約 107° （孤對電子更強烈地排斥成鍵電子對，將鍵角從 109.5° 擠壓變小）。
3. 水 (\(\text{H}_2\text{O}\))
• 中心原子： 氧（第 16 族：6 個價電子）。
• 成鍵電子對： 2；孤對電子： 2。
• 電子對總數： 4（四面體電子排列）。
• 分子形狀： 角形 / V 形
• 鍵角： 約 104.5° （兩對孤對電子產生更大的排斥力，進一步擠壓鍵角）。
非八隅體中心原子（無孤對電子）
某些中心原子的價電子層未滿八隅體（少於 8 個價電子）或出現擴展八隅體（利用 d 軌域容納多於 8 個價電子）：
4. 氯化鈹 (\(\text{BeCl}_2\)) — 未滿八隅體
• 中心原子： 鈹（第 2 族：2 個價電子）。
• 成鍵電子對： 2；孤對電子： 0。
• 分子形狀： 直線形
• 鍵角： 180°
5. 三氟化硼 (\(\text{BF}_3\)) — 未滿八隅體
• 中心原子： 硼（第 13 族：3 個價電子）。
• 成鍵電子對： 3；孤對電子： 0。
• 分子形狀： 平面三角形
• 鍵角： 120°
6. 五氯化磷 (\(\text{PCl}_5\)) — 擴展八隅體
• 中心原子： 磷（第 15 族：5 個價電子）。
• 成鍵電子對： 5；孤對電子： 0。
• 分子形狀： 雙三角錐形
• 鍵角： 90°（軸向－赤道向）和 120°（赤道向－赤道向）。
7. 六氟化硫 (\(\text{SF}_6\)) — 擴展八隅體
• 中心原子： 硫（第 16 族：6 個價電子）。
• 成鍵電子對： 6；孤對電子： 0。
• 分子形狀： 八面體
• 鍵角： 90°
含有多重鍵的分子與多原子離子
含有多重鍵的分子
在 VSEPR 理論中，雙鍵或三鍵均視為單一個電子區域：
• 二氧化碳 (\(\text{CO}_2\))： 碳與氧形成兩個雙鍵 (\(\text{O=C=O}\))。C 周圍有 2 個電子區域且有 0 個孤對電子 \(\rightarrow\) 直線形，鍵角 180°。
• 甲醛 (\(\text{HCHO}\))： 碳形成兩個 C-H 單鍵和一個 C=O 雙鍵。C 周圍有 3 個電子區域且有 0 個孤對電子 \(\rightarrow\) 平面三角形，鍵角約 120°。
多原子離子
• 銨離子 (\(\text{NH}_4^+\))： 氮具有 \(5 - 1 = 4\) 個價電子。形成 4 個成鍵電子對和 0 個孤對電子 \(\rightarrow\) 四面體，鍵角 109.5°。
• 水合氫離子 (\(\text{H}_3\text{O}^+\))： 氧具有 \(6 - 1 = 5\) 個價電子。形成 3 個成鍵電子對和 1 個孤對電子 \(\rightarrow\) 三角錐形，鍵角約 107°。
HKDSE 分子形狀總結表
分子／離子: \(\text{BeCl}_2\), \(\text{CO}_2\)
成鍵區域: 2
孤對電子: 0
形狀: 直線形
鍵角: 180°
分子／離子: \(\text{BF}_3\), \(\text{HCHO}\)
成鍵區域: 3
孤對電子: 0
形狀: 平面三角形
鍵角: 120°
分子／離子: \(\text{CH}_4\), \(\text{NH}_4^+\)
成鍵區域: 4
孤對電子: 0
形狀: 四面體
鍵角: 109.5°
分子／離子: \(\text{NH}_3\), \(\text{H}_3\text{O}^+\)
成鍵區域: 3
孤對電子: 1
形狀: 三角錐形
鍵角: ~107°
分子／離子: \(\text{H}_2\text{O}\)
成鍵區域: 2
孤對電子: 2
形狀: 角形 / V 形
鍵角: ~104.5°
分子／離子: \(\text{PCl}_5\)
成鍵區域: 5
孤對電子: 0
形狀: 雙三角錐形
鍵角: 90°, 120°
分子／離子: \(\text{SF}_6\)
成鍵區域: 6
孤對電子: 0
形狀: 八面體
鍵角: 90°
重點提示
1. 電子互斥： 電子區域會互相分散以將排斥力減至最低。排斥力順序為：\(\text{LP-LP} > \text{LP-BP} > \text{BP-BP}\)。
2. 多重鍵： 在判斷分子幾何形狀時，雙鍵和三鍵均算作單一個電子區域。
3. 電子對幾何排列與分子形狀的分別： 所有電子區域的排列決定了基本幾何構型，但分子形狀的命名僅取決於鍵合原子的空間位置。
