二氧化硫是一个弯曲的分子,其对称点群为C2v。硫原子的氧化态为+4,形式电荷为0,被5个电子对包围着,因此可以描述为超价分子。从分子轨道理论的观点来看,可以认为这些价电子大部分都参与形成S-O键。二氧化硫中的S-O键长(143.1 pm)要比一氧化硫中的S-O键长(148.1 pm)短,而中的O-O键长(127.8 pm)则比氧气中的O-O键长(120.7 pm)长。二氧化硫的平均键能(548 kJ·mol-1)要大于S-O的平均键能(524 kJ·mol-1),而的平均键能(297 kJ·mol-1)则小于O2的平均键能(490 kJ·mol-1)。这些证据使化学家得出结论:二氧化硫中的S-O键的键级至少为2,与臭氧中的O-O键不同,臭氧中的O-O键的键级为1.5。
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