​话说水分子（一）-水分子的结构

话说水分子（一）-水分子的结构

水是自然界中最常见的物质之一，水也是我们人体最主要的组成物质。我们知道水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的具有两个O-H共价键的三原子分子。在这里，共价键中的“价”指的是价电子，而“共价”就是共用价电子的意思，在水分子中，氧原子提供了两个单独的外层电子与两个氢原子共用，从而形成了两个O-H共价键。

图1 水分子的结构

我们在图1里简要地表示了水分子的组成结构，它是一个角状的结构，两个O-H键之间成104.5°的夹角，每个O-H键的键长为0.96埃（长度单位，1埃为1厘米的一亿分之一）。

下面对水分子的这个结构作一个简要说明。我们知道氧原子是元素周期表中的第8号元素，它有8个外层电子，其中2个电子在离原子核最近的第1电子层（1s）上运动，其余6个电子在第2层（外层）上运动，叫做价电子。

图2 氧原子的外层电子轨道

在图2里，我们表示了氧原子的6个价电子的运动轨道。这6个价电子分为两类，其中2个电子称为2s电子，以相反的自旋成对运动，它们的轨道函数是一个球形的原子轨道。另外4个电子叫做2p电子，如图2，它们分开在三个轨道函数为哑铃形的2p原子轨道上运动，其中有一个2p轨道中容纳了1对成对电子，而另外两个2p 轨道中各容纳了1个成单电子，实际上这两个成单电子就是形成水分子时用来共用的价电子。从图2我们还能看出，这三个2p轨道在空间上是互成90°角的。

氢原子是元素周期表中的第1号元素，它只有1个外层电子，它的原子轨道叫做1s，是一个球形的轨道函数。氧原子外层2p轨道上的两个成单电子很容易与氢原子的成单电子结合成对，互相共用，它们既在氧原子的2p轨道上运动，又在氢原子的1s轨道上运动，形成两个O-H共价键。键指的是两个原子之间的化学亲和力，我们把通过共用电子对（一对电子同时被两个原子核吸引）而形成的键力叫做共价键。

在一个分子中，当中心原子与其它原子形成两个或多个键时，每两个键之间的夹角称为键角。如图1所示，水分子的键角经测量为104.5°。那么在这里我们就会有一个疑问，因为前面我们提到，既然氧原子的3个2p轨道都是互相垂直的，所以理论上通过其中两2个2p轨道形成的两个O-H键之间的夹角应该是90°才对，为什么实际是104.5°呢？另外还有一个问题，就是为什么我们把水分子称之为极性分子呢？那么后面我们再继续探讨这两个有趣的问题吧！

（声明：本文知识点源主要归纳自南开大学已故申泮文院士的相关著作。）