分子是什么形状？
分子内部大部分都是空的。
几乎所有的质量都集中在
原子极其致密的核上。
而它的电子，
则决定原子之间
如何相互结合，
它们比较像带负电荷的云，
而不是一颗颗单独的粒子。
因此，分子并不像
雕塑一样
有着特定的形状。
但是对于每一个分子
至少存在一种方式
排列原子核和电子，
使得相异电荷之间的
吸引力最大化，
相同电荷之间的排斥力
最小化。
现在我们假设唯一与分子形状
有关的电子
是每个原子最外层上的电子。
同时我们也假设
在原子之间的电子云，
也就是分子键，
形状像一根香肠。
记住原子核是带有正电荷的，
而电子是带负电的，
而且如果所有分子的核
都堆积到了一起，
或者它所有的电子都堆积到了一起，
它们会相互排斥并且飞散，
那就没什么用了。
1776年，亚历山德罗·伏打
在他发明电池数十年前
发现了甲烷。
甲烷的化学式是CH4。
这个化学式告诉我们
每个甲烷分子
都是由一个碳原子和四个氢原子构成的，
但是它并没有告诉我们 哪个原子与哪个原子连在一起，
或者在三维空间中这些原子是如何排列的。
从它们的电子排布中
我们知道碳原子能与
其他四个原子相连，
而且每个氢原子只能与
一个原子相连。
因此我们能够猜测
碳原子应该是中心原子，
与所有的氢原子相连。
现在，每个键代表
共用两个电子，
我们用一条线表示一对共用电子。
于是，我们现在得到了这个原子的
平面示意图，
但是在三维空间中它看起来是什么样的？
我们能够合理地说
因为每个键都是
一个带负电的区域，
同性互斥，
最可能的原子构型
应该使得键与键之间的距离最大。
而要使得所有的键之间的
距离尽可能地远，
最合适的形状是这样子的。
这叫做四面体。
根据不同的原子，
你可以得到很多种不同的形状。
氨，NH3，是金字塔形。
二氧化碳，CO2，是直线形。
水，H2O，像弯折的手臂。
而三氟化氯，ClF3，
形状像字母T。
记住，我们现在做的
是根据我们的原子和电子模型
建立分子的三维形状。
我们必须通过做实验
来确认这些分子的形状
是否和我们预测的一样。
剧透一下：
很多是符合的，但是也有一些与预测不符。
因为随着原子数目的增加，
分子的形状变得越来越复杂。
我们前面提到的所有例子
只有一个明显的中心原子。
但是大部分的分子并没有，
小到药物小分子，
大到很长的多聚体，
比如DNA，都没有中心原子。
最关键的是
参与连结的原子会自动排列，
使得异种电荷之间的吸引力达到最大，
同种电荷之间的排斥力达到最小。
有些分子甚至有两种或者更多的
稳定的原子排列方式，
在不同的构型之间转换，
我们会看到化学是多么酷炫，
即使分子的构成，
即其中原子的数量和种类
根本没有改变。