Una molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno atomizados (unidos). La disposición de los átomos de hidrógeno alrededor de los átomos de oxígeno es asimétrica, es decir, los dos átomos de hidrógeno no están dispuestos en una línea recta que pase por el centro del átomo de oxígeno, sino que están dispuestos en un ángulo de 104°45′ (ver Figura 1- 1a). Y cuando el único electrón del átomo de hidrógeno es compartido por el átomo de oxígeno, dado que la electronegatividad del oxígeno (3.5) es mayor que la electronegatividad del hidrógeno (2.1), sus pares de electrones están sesgados en gran medida hacia el núcleo del átomo de oxígeno, de modo que el núcleo de hidrógeno se convierte casi en un protón desnudo, insignificante en comparación con el núcleo de oxígeno y sumergido en la nube de electrones extranuclear del átomo de oxígeno.
Figura 1-1 Diagrama esquemático de la estructura interna de las moléculas de agua
Figura 1-2 Diagrama esquemático de las órbitas de los electrones fuera del núcleo de las moléculas de agua
Figura 1-3 Diagrama esquemático de la estructura interna de las moléculas de agua Las posiciones espaciales relativas de los cuatro ejes orbitales elipsoidales [α=109°47′ (teórico); α=104°45′ (medido)]
En las moléculas de agua, los núcleos de hidrógeno y oxígeno se encuentran en posiciones iguales. La cintura está dispuesta en forma de triángulo. El núcleo de oxígeno está ubicado en la parte superior del ángulo donde se cruzan las dos cinturas, y los dos núcleos de hidrógeno (protones) están ubicados en la parte superior de las dos esquinas de la base del triángulo isósceles. El ángulo entre las dos cinturas es de 104°45. ′. Todo el núcleo de la molécula de agua está sumergido en una nube de electrones compuesta por diez electrones fuera del núcleo (ver Figura 1-1b). El radio de una molécula de agua es 1,38? (1?=10-8cm, lo mismo a continuación) y la longitud del enlace es 0,96?.
Hay diez electrones fuera del núcleo de la molécula de agua que están girando constantemente a lo largo de sus propias órbitas y ciertas direcciones de rotación, formando así la nube de electrones extranuclear de la molécula de agua. La nube de electrones extranucleares de las moléculas de agua es el resultado de la hibridación orbital después del enlace de átomos de hidrógeno y oxígeno, siendo la órbita orbital de los electrones extranucleares del átomo de oxígeno la principal hibridación orbital.
Sabemos que la estructura electrónica extranuclear del átomo de hidrógeno es 1H...1s1. La estructura electrónica extranuclear del átomo de oxígeno es 8O...1s22s22p4. Cuando dos átomos de hidrógeno se combinan con un átomo de oxígeno para formar una molécula de agua, un orbital 2s y tres orbitales 2p en el átomo de oxígeno se hibridan. átomo La estructura electrónica extranuclear de los orbitales )1 se superponen para formar enlaces (las nubes de electrones se superponen), formando el patrón de órbita de los electrones de las moléculas de agua, como se muestra en la Figura 1-2. Es decir, los diez electrones fuera del núcleo de la molécula de agua se mueven a lo largo de cinco órbitas después de emparejarse y acoplarse respectivamente. Una de ellas es la órbita del electrón 1s2 del átomo de oxígeno (dos esféricas están compuestas por los electrones 1s1 en los dos); átomos de hidrógeno y la órbita del oxígeno. Los dos electrones 2 (sp3) 1 en el átomo forman la órbita del primer par de electrones compartido (elipsoide oblongo), mientras que las otras dos órbitas elipsoidales son las dos órbitas de electrones 2 (sp3) 2 del átomo. átomo de oxígeno, que se llaman Las órbitas de dos pares de electrones "solitarios". Las posiciones espaciales relativas de estas cuatro órbitas elipsoidales se muestran en la Figura 1-3. Es decir, los ejes orbitales de los dos pares de electrones compartidos están ubicados en el plano de , mientras que los ejes orbitales de los dos "pares solitarios" de electrones están ubicados en el plano vertical del plano. En circunstancias ideales, el ángulo de enlace dentro de la molécula de agua así constituida debería ser de 109°47′, pero debido a la fuerte repulsión entre los dos "pares solitarios" de pares de electrones, los dos átomos de hidrógeno en la molécula de agua. Los átomos se acercan más , y el ángulo de enlace dentro de la molécula de agua disminuye a 104°45′.
Debido a que los dos "pares libres" de electrones en las moléculas de agua están cargados negativamente, esta es el área concentrada de cargas negativas en las moléculas de agua. Es decir, el hidrógeno es parcialmente electropositivo, mientras que el oxígeno es parcialmente electronegativo, formando un enlace polar, que tiene especial importancia en la estructura de las moléculas de agua. Atraen los núcleos de hidrógeno (protones) de las moléculas de agua adyacentes, conectando las moléculas de agua adyacentes entre sí y son la razón fundamental para la formación de enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua.