Ubicación de elementos en las formaulas moleculares

Pues la justificación está en la estructura electrónica que tienen los elementos antes de formarse el enlace, y en el cumplimiento de la regla del octeto una vez se forma la molécula.
Siguiendo con tu ejemplo:
Lo primero es obtener la configuración electrónica:
C (tiene 6 electrones en su capa de valencia): 1s^2 2s^2 2p4
O (tiene 8 electrones en su capa de valencia): 1s^2 2s^2 2p^6

Sumamos todos los electrones necesarios para que los 3 elementos cumplan la regla del octeto:
8·3 = 24 electrones necesarios
Sumamos los electrones de valencia que tenemos:
4 + 6 + 6 = 16 (tenemos 2 oxígenos)
Restamos 24 - 16 = 8. Si dividimos entre 2 (cada enlace son 2 electrones) 8/2 = 4. tenemos que formar 4 enlaces.
Datos que tenemos para escribir la molécula:
1.- El átomo de C, antes de enlazarse, tiene 4 electrones de valencia.
2.- Cada átomo de O, antes de enlazarse, tiene 6 electrones de valencia.
3.- Tras el enlace, los 3 átomos tienes 8 electrones de valencia.
Por tanto, neceesariamente la estructura es:
_           _
O :: C :: O
_           _
Los guiones sobre y bajo los oxígenos representan pares de electrones, y los .. representan enlaces (aquí hay dos enlaces dobles). Fíjate que tras en enlace cada O tiene 8 electrones (2 guiones y 4 puntos = 2 · 2 + 4 · 1 = 8) y el carbono tiene 8 electrones (8 · 1 = 8). Se cumple el octeto. Pero si separamos los enlaces de forma que cada átomo se quede con la mitad de ese enlace, es decir, se quede con (:), es decir se quede con 2 de los 4 electrones compartidos, en ese caso el O tendría dos guiones y dos puntos, es decir 2 · 2 + 2 · 1 = 6 electrones de valencia. Y el C tendría 4 puntos, es decir, 4 electrones de valencia. Todo encaja.
Pero si planteamos otra estructura con los cuatro enlaces necesarios y que cumpla la regla del octeto, como sería por ejemplo:
_              _
C : : O : : O
_              _
Ahora no se cumple la estructura electrónica antes del enlace. Si rompuiéramos los enlaces tendríamos:
_
C:   Este carbono tiene 2 pares de electrones y dos electrones sueltos.
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Eso suma 6 electrones, cuando debería tener solo 4.
: O : Este O tiene 4 electrones sueltos, cuando debería tener 6.
  _
:O Este O tiene dos electrones sueltos y dos pares de electrones
 _
Eso suma 6 electrones. Es el único que respeta su estructura electrónica inicial.
Esta molécula sería imposible.
¿Te aclaras? A lo mejor al enviar el texto se descuadrran las letras, por lo que eu tendrás un montón de guiones y pountos sin sentido. SI me mandas un mail te lo pasaría de nuevo.
Ah! Y este tipo de preguntas, casi mejor ponlas en la sección de física, ¿no?