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電子対反発則(VSEPR則)というのがあります。高校の化学基礎の教科書には、言葉こそ出てきていませんが、似た考え方は載っているし、理解できる範囲だと思います。
(もちろん、とても有名なので結論は覚えてしまった方がよいです。)
アンモニアについて見てみます。アンモニアの中心原子Nは、H原子と3つの共有電子対と、1つの非共有電子対を持っていますよね。この4つの電子対をなるべく反発させます。そうしようとすると、最も反発する形は正四面体になります。ちょうどメタンを見てもらえれば4つの水素原子を結んだときに正四面体になることがわかると思います。これは、数学的に証明できるのかもしれないですが、覚えてしまった方がよいと思います。
アンモニアはN原子の上には原子こそないものの非共有電子対を持っているために、その4つを反発させて正四面体型になろうとします。だから、写真のような形になります。ちょうどメタンから上のH原子を除いたと考えてみてください。メタンは、4つのH原子との共有電子対を持つから、ちょうど目に見える形で正四面体型になります。アンモニアは厳密には、正四面体型の109.5度にはなりません。これはやはり非共有電子対と共有電子対では反発の強さが微妙に異なるからです。水も同じで、O原子を中心原子として、2つのHとの共有電子対と2つの非共有電子対で正四面体型を作ろうとしています。ですが、非共有が2つあるので、見た目は折れ線の形になっています。
なぜCO2は直線なのに、H2Oは折れ線なのか、と中学生に聞かれたとしても、「それはそういうものなんだよ」としか言えませんが、高校生には「水の中心原子Oは非共有電子対を持ってるけど、二酸化炭素の中心Cはもう2重結合で手を使いきってるから非共有電子対を持ってないじゃん」と答えられますね。だから、水のOは実質4つを反発ですが、二酸化炭素のCは2つを反発させているので、最も離そうと思えば正四面体型の109.5度ではなく、直線型の180度ですよね。同じことは水素や窒素にも言えますね。
化学基礎の発展のところにいい図があったので送ります。
s軌道とかp軌道とかsp3混成軌道とかは完全に大学の化学で、ちょうど僕が今大学で習っているようなことなので、気にしなくてよいです。このよくわからない、ひょうたんみたいなのも気にしなくてよいです。図だけ見てください。
先生から似た図のプリントが配られていました！すんごい分かりやすいです！わざわざありがとうございます💦
エチレンに関しては、理系で化学に進むなら、有機化学を習うので、その時にとても大切になってきます。もっと言えば、このあたりの電気陰性度とか水素結合の話は、有機の勉強のときにとてもとても大切になってきます。
二重結合は単結合と違って回転ができません。厳密には大学でπ結合とかσ結合とか習うんですが、よく言われるのは2人で２本の手を繋いだら、動けないよねっていうことです。だから、平面で固定されるわけです。CについてるHは単結合なので、自由に回転できますが、何もなければ反発しようとするので、Cの二重結合とH2つの3つが平面上で反発する120度の形をとります。単結合なので、自由に3次元的に回転できますが、3つが最も反発するのは同一平面で120度ずつ広がった時らしいです。実際には引き付け合う力の違いがあって、120度に近い117度みたいですね。