臭氧分子由三个氧原子组成,其分子式为O3。在臭氧分子中,每个氧原子都采用sp2杂化,形成一个三角形的分子结构。位于分子顶点的氧原子除了与另外两个氧原子形成两个σ键外,还拥有一对孤对电子。而另外两个氧原子则各自拥有两对孤对电子。
在三个氧原子之间,存在着一个垂直于分子平面的三中心四电子的离域π键(π34)。这个π键由位于顶点的氧原子提供两个π电子,而另外两个氧原子各提供一个π电子形成。由于氧原子上的孤对电子之间的排斥作用,臭氧分子呈现出等腰三角形的形状,其键角为116.8度,键长为127.8皮米。
通过分子轨道理论对臭氧分子中的π34键进行计算,发现三个氧原子的平行p轨道线性组合形成三个分子轨道。其中,一个是成键轨道(φ1),另一个是非键轨道(φ2),第三个是反键轨道(φ3),这三个轨道的能量依次升高。四个π电子依次填入成键轨道和非键轨道,分子轨道中没有单电子存在,因此臭氧分子表现出抗磁性。
此外,每个氧原子之间的键级为11/2,不足以构成一个完整的双键。因此,臭氧分子的键长(127.89皮米)比氧分子(O2)的键长(120.8皮米)要长,而且臭氧分子的键能也低于氧分子,使得臭氧分子相对不够稳定。
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