电子对排斥决定分子形状
原子周围的电子对都是负电荷,因此彼此排斥。它们尽量张开到最远,而这种排布就是分子的三维形状。成键电子对和孤对电子都要占据空间,也都会相互排斥。只要数一数电子域的数目,就能确定直线形、平面三角形、四面体形等骨架;若有孤对电子,键角会被挤压成弯曲形或三角锥形。再把键的极性作为矢量相加,还能知道整个分子是极性还是非极性。
电子域相互排斥,力求彼此离得尽可能远。有两个时正好相背张开,成直线形(180°);三个时为平面三角形(120°);四个时为四面体形(109.5°)。五个成三角双锥,六个成八面体形。用按钮改变数目,看排布如何自行确定。
成键电子对被夹在两个原子之间,保持得较窄;而孤对电子只受一个原子束缚,因而胀得更开。于是它把相邻的成键电子对推得更紧。水有四个电子域,理想角本应为 109.5°,但两对孤对电子把 H-O-H 角压到 104.5°,使分子弯折。开关孤对电子,看键角如何缩小。
谈分子形状时,必须把电子对的排布与原子的位置区分开。四个电子域总是排成四面体,但若其中一些是孤对电子,仅凭可见原子判断出的形状便不同。AX₄ 仍是四面体形;有一对孤对的 AX₃E 成三角锥形;有两对孤对的 AX₂E₂ 成弯曲形。用开关在完整电子域与仅原子之间切换,看清差别。
为什么排布恰好稳定在那里?因为那里正是总排斥能,即每一对彼此推挤之和,最小的位置。把画面中的一个域拖离最佳位置,当它挤近邻居时,排斥之和便骤然升高。松手后,它会弹回到张得最开、能量最低的排布。那个最小点,正是我们实际观测到的分子形状。
每个键都是一个小偶极,因为电负性之差把电子拉向一侧。整个分子的极性就是这些键偶极的矢量和。在二氧化碳中,两个 C=O 偶极正好方向相反,因而相互抵消,净值为零,是非极性。水是弯曲的,两个 O-H 偶极不会抵消,而是向上叠加,留下净偶极,因而是极性。在键偶极与净偶极之间切换,核对方向的合成。