普通化學/分子形狀
共價分子透過電子對與其他原子鍵合。由於電子對帶負電荷，它們相互排斥，並試圖儘可能遠離彼此以穩定分子。這種排斥導致共價分子具有獨特的形狀，稱為分子的分子幾何形狀。有幾種不同的方法可以確定分子幾何形狀。一種稱為 VSEPR（價層電子對互斥）模型的科學模型可用於定性預測分子形狀。在這個模型中，AXE 方法用於透過計算與分子中心原子(s)相關的電子和鍵的數量來確定分子幾何形狀。
VSEPR 模型絕不是分子形狀的完美模型！它只是一個系統，它解釋了透過實驗發現的已知分子幾何形狀。這可以讓我們預測類似分子的幾何形狀，使其成為一個相當有用的模型。現代定量計算分子最穩定（最低能量）形狀的方法可能需要數小時的超級計算機時間，是計算化學的領域。
| 軌道雜化 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| sp |
sp2 | sp3 | sp3d | sp3d2 | |
| 2 組 | 線性 | 彎曲 | 彎曲 | 線性 | |
| 3 組 | 三角平面 | 三角錐形 | T 型 | ||
| 4 組 | 四面體 | 蹺蹺板形 | 平面正方形 | ||
| 5 組 | 三角雙錐 | 四方錐形 | |||
| 6 組 | 八面體 | ||||
雜化由連線到中心原子的“事物”的數量決定。這些“事物”可以是其他原子或非鍵合電子對。基團數是指連線到中心原子的原子或電子對的數量。例如，甲烷 (CH4) 是四面體形的，因為碳連線到四個氫。然而，氨 (NH3) 不是三角平面形的。它是三角錐形的，因為它連線到四個“事物”：三個氫和一個非鍵合電子對（以滿足氮的八隅體規則）。
考慮一個簡單的共價分子甲烷 (CH4)。四個氫原子在三維空間中圍繞一個碳原子。每個 CH 鍵包含一對電子，這些電子對試圖儘可能遠離彼此（由於靜電排斥）。您可能認為這會導致扁平的形狀，每個氫原子相隔 90°。然而，在三維空間中，氫原子的排列更加有效。如果每個氫原子位於以碳原子為中心的四面體的頂點，它們之間的距離約為 cos-1(-1/3) ≈ 109.5°—這是可能的最大值。
為了將四個軌道排列成這種四面體形狀，需要將一個 s 軌道和三個 p 軌道重組成一個 sp3 軌道。
VSEPR 模型以類似於鍵合電子的方式處理孤對電子。例如，在氨 (NH3) 中，中心氮原子周圍有三個氫原子和一對孤對電子。因為有四個基團，氨具有四面體形狀，但與甲烷不同的是，氫原子之間的角度略小，為 107.3°。這可以透過理論解釋，即孤對電子在物理上比鍵合電子佔據的空間更大。這是一個合理的理論：在一個鍵中，電子對分佈在兩個原子之間，而孤對電子只位於一個原子之上。由於孤對電子更大，它迫使其他電子對更靠近。
用水測試這個假設提供了進一步的證據。在水 (H2O) 中，有兩個氫原子和兩對孤對電子，總共構成四個基團。電子對相互排斥形成四面體形狀。氫原子之間的角度為 104.5°，這與我們的模型預期相符。兩對孤對電子都將鍵推得更靠近，導致角度小於氨。
在某些分子中，價電子對少於四對。這發生在硼和鈹等電子缺陷原子中，它們不符合八隅體規則（它們分別可以有 6 個和 4 個價電子）。在三氟化硼 (BF3) 中，只有三對電子相互排斥形成一個平面。每個氟原子之間的距離為 cos-1(-1/2) = 120°。在這個分子中形成了一組不同的雜化軌道：2s 軌道和兩個 2p 軌道結合形成三個sp2 雜化軌道。剩餘的 p 軌道是空的，位於分子的平面之上和之下。
另一方面，鈹只形成兩對價電子。它們以 cos-1(-1) = 180° 的角度相互排斥，形成一個線性分子。一個例子是氯化鈹，它有兩個氯原子位於鈹原子的相對兩側。這次，一個 2s 軌道和一個 2p 軌道結合形成兩個sp 雜化軌道。兩個剩餘的 p 軌道位於鈹原子的上方和一側（它們是空的）。
有些元素會呈現彎曲形狀，而另一些元素則呈線性形狀。兩者都連線到兩個基團上，因此取決於中心原子有多少個孤對電子。
以二氧化硫（SO2）和二氧化碳（CO2）為例。兩者都具有兩個透過雙共價鍵連線的氧原子。二氧化碳是線性的，而二氧化硫是彎曲的。差異在於它們的價電子層。碳具有四個價電子，而硫具有六個。當它們成鍵時，碳沒有孤對電子，而硫有一個。
回想一下，某些元素，尤其是硫和磷，可以與五個或六個基團成鍵。雜化分別為sp3d或sp3d2，形狀分別為三角雙錐或八面體。當存在孤對電子時，就會出現其他形狀（見上表）。
黃色基團代表孤對電子。白色基團代表鍵合原子，粉色代表中心原子。這被稱為AXE方法；A是中心原子，X是鍵合原子，E是孤對電子。
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線性 -
平面三角形 -
彎曲 -
四面體 -
三角錐體 -
彎曲 -
三角雙錐 -
蹺蹺板形 -
T形 -
八面體 -
四方錐體 -
平面正方形
