水分子的内部结构

一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子化（键）合而成。其中氢原子围绕氧原子的排布是不对称的，即两个氢原子不是排列在通过氧原子中心的一条直线上，而是以104°45′的夹角进行排布的（见图1-1a）。而且当氢原子唯一的一个电子为氧原子所***享后，由于氧的电负性（3.5）大于氢的电负性（2.1），它们的电子对很大程度地偏向氧原子核，使氢原子核几乎成为一个赤裸裸的质子，质子与氧原子核相比是微不足道的，并浸入于氧原子的核外电子云中。

图1-1　水分子的内部结构示意图

图1-2　水分子核外电子轨道示意图

图1-3　水分子内的四个椭球形轨道轴的空间相对位置〔α＝109°47′（理论）；α＝104°45′（实测）〕

在水分子中，氢、氧原子核是呈等腰三角形排布的。氧核位于两腰相交的角顶上，两个氢核（质子）则位于等腰三角形的两个底角顶上，两腰间夹角为104°45′。整个水分子核则浸于核外十个电子所组成的电子云中（见图1-1b）。水分子的半径为1.38?（1?＝10-8cm,下同），键长为0.96?。

在水分子核外***有十个电子组成，它们分别沿着各自的轨道和一定的运转方向在不停地运转，从而构成水分子的核外电子云。水分子的核外电子云是由氢与氧原子键合之后，以氧原子核外电子运转轨道为主发生轨道杂化的结果。

我们知道，氢原子的核外电子结构为1H……1s1。氧原子的核外电子结构为8O……1s22s22p4，而当两个氢原子与一个氧原子化合形成水分子时，氧原子中的一个2s轨道和三个2p轨道产生杂化，此时，氧原子的核外电子结构为：

水文地球化学基础

组成水分子时，每个氢原子的1s1轨道就和氧原子中仅有一个电子的2（sp3）1轨道交叠成键（电子云重叠），形成水分子如图1-2所示的电子运转轨道图形。即在水分子核外的十个电子，它们在分别配对偶合之后沿五个轨道运转，其中一个是氧原子的1s2电子轨道（球形）；两个是由两个氢原子中的1s1电子同氧原子中两个2（sp3）1电子组成***享电子对的轨道（长椭球形）；而另两个椭球形轨道则分别是氧原子两个2（sp3）2电子轨道，被称为两对“孤对”电子对的轨道。这四个椭球形轨道的空间相对位置如图1-3所示。即两对***享电子对轨道轴位于 所在平面上，而两对“孤对”电子对轨道轴则位于 所在平面的垂直平面上。在理想的情况下，这样构成的水分子内的键角应为109°47′，但由于两对“孤对”电子对之间有较强的排斥作用，因此使水分子中的两个氢原子向一起靠拢，水分子内键角减小为104°45′。

由于水分子内的两对“孤对”电子对带负电荷，这是水分子中负电荷的集中区。即氢带有部分正电性，而氧带有部分负电性，这就形成了一种极性键，这在水分子的结构中具有特殊的重要意义。它们吸引着相邻水分子中的氢原子核（质子），使相邻水分子间彼此相互联结，是形成水分子间氢键联结的根本原因。