分子形狀：建構三維分子！
各位同學好！你有沒有想過，為什麼水是 H₂O 而不是其他寫法？又或者它為什麼會有這些特性呢？答案的很大一部分在於它的形狀。分子可不是紙上扁平的圖畫，它們都是三維結構來的！了解它們的形狀超級重要，因為這能幫助我們預測分子的行為、特性（例如沸點），以及它們如何與其他分子反應。
在這一章，我們將會變成分子建築師！你將會學習一個既簡單又強大的方法，來預測和繪畫甲烷 (CH₄)、氨 (NH₃)、水 (H₂O) 和三氟化硼 (BF₃) 等分子的三維形狀。就算一開始聽起來有點複雜，也別擔心，我們會用簡單的步驟和有趣的類比來拆解它！
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？
好啦，「價層電子對互斥」聽起來很繞口！我們簡稱它為 VSEPR 吧。這個名字其實已告訴你所有重要的資訊：
- 價層： 我們只關注中心原子最外層的電子。
- 電子對： 這些電子都是以電子對的形式存在的。
- 互斥： 這就是最關鍵的詞了！電子對都是帶負電荷的，而同電荷之間會互斥（互相排斥）。
所以，最重要的概念就是：中心原子周圍的電子對會盡可能地在三維空間中互相遠離，以將互斥力減至最低。
氣球類比
想像你有一些氣球，把它們的末端綁在一起。它們會怎樣排列呢？它們是不是會盡量分散開來，佔據最大的空間？
- 如果你綁兩個氣球，它們會指向相反的方向（形成直線）。
- 如果你綁三個氣球，它們會形成一個平面三角形。
- 如果你綁四個氣球，它們會形成一個叫做四面體的三維形狀（就像一個有三角形底座的金字塔）。
分子中的電子對行為就和這些氣球一模一樣！
兩種電子對
了解中心原子周圍有兩種「口味」的電子對，這點非常重要：
- 成鍵電子對 (BPs)： 這些電子在中心原子和其他原子之間共享，形成共價鍵。它們被「鎖」在兩個原子之間。
- 孤對電子 (LPs)： 這些是只屬於中心原子的價層電子，沒有參與成鍵。
重要小訣竅：孤對電子是電子世界裡的「空間霸主」！它們沒有被夾在兩個原子之間，所以它們會佔據更多空間，並施加比成鍵電子對更強的排斥力。把牠們想像成更大、更蠻橫的氣球吧。
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
每次都按照這些步驟來做，你很快就會成為預測形狀的專家！
步驟一： 找出分子中的中心原子（通常是分子中數量只有一個的原子，例如甲烷 (CH₄) 中的 C，氨 (NH₃) 中的 N）。
步驟二： 計算中心原子的價電子數。（快速複習：對於主族元素，這就是它的族數！碳在第 14 族，所以有 4 個價電子。氮在第 15 族，所以有 5 個。）
步驟三： 計算成鍵電子對 (BPs) 的數量。這很簡單——就是連接到中心原子的原子數。
步驟四： 使用這個簡單的公式計算中心原子的孤對電子 (LPs) 數量：
LPs = [ (價電子數) - (鍵數) ] / 2
步驟五： 利用成鍵電子對和孤對電子的數量來判斷形狀！
個案研究：你必須知道的分子
讓我們將五步指南應用到課程大綱中的關鍵例子上吧。
1. 甲烷 (CH₄)
一個簡單、對稱分子的完美例子。
步驟一： 中心原子是碳 (C)。
步驟二： C 在第 14 族，所以它有 4 個價電子。
步驟三： 有 4 個氫原子連接，所以有 4 個成鍵電子對 (BPs)。
步驟四： 孤對電子 = (4 - 4) / 2 = 0 個孤對電子 (LPs)。
步驟五： 我們有 4 個成鍵電子對和 0 個孤對電子。這四對電子會互相平均排斥，形成四面體形狀。由於沒有孤對電子，分子的形狀與電子對的排列相同。
- 中心原子周圍的電子對總數： 4
- 成鍵電子對數量： 4
- 孤對電子數量： 0
- 分子形狀：四面體
- 鍵角：109.5°
- 三維繪圖： 我們使用「楔形和虛線」表示法。實心楔形 (▶) 代表從紙面伸出，虛線楔形 (---) 代表伸入紙面。
2. 氨 (NH₃)
孤對電子開始改變形狀了！
步驟一： 中心原子是氮 (N)。
步驟二： N 在第 15 族，所以它有 5 個價電子。
步驟三： 有 3 個氫原子連接，所以有 3 個成鍵電子對 (BPs)。
步驟四： 孤對電子 = (5 - 3) / 2 = 1 個孤對電子 (LP)。
步驟五： 我們有 3 個成鍵電子對和 1 個孤對電子。電子對的總數是 4 個 (3+1)，所以它們的整體排列仍然是四面體形狀。但是，最終的分子形狀只由原子的位置決定。由於其中一個位置被「空間霸主」孤對電子佔據了，所以形狀不再是完美的四面體。
孤對電子會把成鍵電子對推得更靠近，把鍵角擠壓得更小。
- 中心原子周圍的電子對總數： 4
- 成鍵電子對數量： 3
- 孤對電子數量： 1
- 分子形狀：三角錐形
- 鍵角：約 107° （由於一個孤對電子額外的排斥力，比 109.5° 稍小！）
3. 水 (H₂O)
兩個孤對電子會帶來更大的影響！
步驟一： 中心原子是氧 (O)。
步驟二： O 在第 16 族，所以它有 6 個價電子。
步驟三： 有 2 個氫原子連接，所以有 2 個成鍵電子對 (BPs)。
步驟四： 孤對電子 = (6 - 2) / 2 = 2 個孤對電子 (LPs)。
步驟五： 我們有 2 個成鍵電子對和 2 個孤對電子。總數仍然是 4 對電子，所以整體排列是四面體。但由於其中兩個位置被原子佔據，另外兩個被孤對電子佔據，最終的形狀由 H-O-H 原子決定。
這兩對孤對電子互相排斥，並更強烈地排斥成鍵電子對，進一步擠壓 H-O-H 鍵角。
- 中心原子周圍的電子對總數： 4
- 成鍵電子對數量： 2
- 孤對電子數量： 2
- 分子形狀：角形 或 V 形
- 鍵角：約 104.5° （比氨分子中更小，因為有兩對排斥性孤對電子！）
常見錯誤警示！
千萬不要混淆電子對的排列與最終的分子形狀。對於 CH₄、NH₃ 和 H₂O，電子對的排列始終是四面體（基於 4 對電子）。但是，你「看到」的最終形狀取決於原子的位置。孤對電子在最終形狀中是看不見的，但它們決定了原子的位置！
超越八隅體規則：特殊情況
一些中心原子，例如硼或第三週期及以下的元素，不總是遵守八隅體規則。課程大綱要求你了解一些中心原子沒有孤對電子的例子，這會讓它們更容易理解！
4. 三氟化硼 (BF₃)
一個「未滿八隅體」的例子。
步驟一： 中心原子是硼 (B)。
步驟二： B 在第 13 族，所以它有 3 個價電子。
步驟三： 有 3 個氟原子連接，所以有 3 個成鍵電子對 (BPs)。
步驟四： 孤對電子 = (3 - 3) / 2 = 0 個孤對電子 (LPs)。
步驟五： 有 3 個電子對且沒有孤對電子，它們將盡可能地在一個平面上分散開來。
- 中心原子周圍的電子對總數： 3
- 成鍵電子對數量： 3
- 孤對電子數量： 0
- 分子形狀：平面三角形
- 鍵角：120°
你知道嗎？
水的角形結構是生物學中最重要的一個事實！它使水分子具極性（帶有微弱的正端和負端），從而能夠形成氫鍵。這就是為什麼冰會浮起來、水是這麼好的溶劑，以及基本上，我們所知的生命為何能存在的原因！
快速溫習總結表
這就是你常用形狀的「速查表」！
分子: CH₄
電子對總數: 4
成鍵電子對: 4
孤對電子: 0
形狀: 四面體
鍵角: 109.5°
分子: NH₃
電子對總數: 4
成鍵電子對: 3
孤對電子: 1
形狀: 三角錐形
鍵角: ~107°
分子: H₂O
電子對總數: 4
成鍵電子對: 2
孤對電子: 2
形狀: 角形 / V形
鍵角: ~104.5°
分子: BF₃
電子對總數: 3
成鍵電子對: 3
孤對電子: 0
形狀: 平面三角形
鍵角: 120°
重點提示
1. 電子對互斥： 這是基本原則。它們會盡可能地互相遠離來排列。
2. 孤對電子是「惡霸」： 孤對電子比成鍵電子對產生更強的排斥力，擠壓鍵角並改變最終形狀。
3. 遵循步驟： 五步指南（中心原子 → 價電子 → 成鍵電子對 → 孤對電子 → 形狀）是你解決任何這類問題的可靠工具。
4. 記住基本知識： 熟記 3 個和 4 個電子對系統（平面三角形和四面體）的名稱、形狀和鍵角，以及它們的變體。
各位同學，做得好！多練習繪畫這些形狀並應用五步法則，你很快就能掌握這個課題了。祝你建構愉快！