水分子的内部结构 水分子的结构分析
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1.1.1.1 水分子中氢、氧原子核的空间排布
研究表明，水分子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线上，而是以104°45′的夹角进行排布的（也有研究者认为该夹角为104°52′或104°31′），见图1-1-1a。而且由于当氢原子唯一的一个电子被氧原子所共享后，氢原子核就成为一个赤裸裸的质子，该质子与氧原子核相比是微不足道的，并侵入于氧原子的核外电子云中。
图1-1-1 水分子中氢氧原子核的空间排布
这样，在水分子中，氢、氧原子核是呈等腰三角形排布的，从而构成水的分子核。氧原子核位于两腰相交的角顶上，而两个氢原子核（质子）则位于等腰三角形的两个底角上，两腰间夹角为104°45′。整个水分子核则浸于其核外十个电子所组成的电子云中，见图1-1-1b。水分子的半径为0.138 nm。
水分子中氢、氧原子的这种排布，使水分子在结构上正、负电荷静电引力中心不相重合，从而形成水分子的偶极性质，即位于氧原子的一端为负极，而位于氢原子的一端为正极。这是决定水分子在结构上具有偶极性的根本原因。
1.1.1.2 水分子的核外电子运转轨道与电子云
水分子核外共有10个电子，其中氧原子有8个电子，两个氢原子共有2个电子。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。所谓的电子云就是电子在原子核外出现的几率分布，也就是电子在核外空间出现的机会及其分布情况。
水分子的核外电子云是由氢、氧原子键合后，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是比较简单的，只有一个电子在第一主能层中绕核不停地运转，即：
水文地球化学
氧原子的核外电子结构就复杂得多了，8个电子中有2个在第一主能层，6个在第二主能层，即：
水文地球化学
根据洪特（Hund）规则，电子在每个轨道上配对偶合之前，每个电子都力求独占一个P轨道，因而按轨道分布的氧原子电子结构应为：
水文地球化学
当两个氢原子和一个氧原子化合形成水分子时，假如生成的水分子是由两个氢原子的1S电子和氧原子的2Py、2Pz电子成键的话，则两个氢原子之间应获得90°的键角。而实际上水分子中两个氢原子之间的键角经实验室测定为104°45′。与上述90°的理论值偏差很大，这就使人们对上述的成键方式产生了怀疑。
那么，水分子的核外电子结构形式究竟是怎样的呢?目前最恰当的解释似乎是杂化轨道理论。这一理论认为，当两个氢原子与一个氧原子成键后，使氧原子中的一个2S轨道和3个2P轨道产生杂化，从而形成四个新型轨道，即SP3杂化轨道。这四个杂化轨道具有相同的能量，稍小于2P轨道的能量，而稍大于2S轨道的能量。经计算，这四个SP3杂化轨道之间的夹角应为109°47′。这时，氧原子的核外电子就应有如下的构型：
水文地球化学
当形成水分子时，每个氢原子的1S轨道就和氧原子中仅有1个电子的2（SP3）杂化轨道交叠成键，形成如下的水分子核外电子构型：
水文地球化学
这样，水分子核外的十个电子共有5个电子运转轨道。其中，氧原子1S层的两个电子仍保持原来的圆球形运转轨道，并保持了原来的能量状态。在四个椭球形的SP3杂化轨道中，两个轨道是由两个氢原子中的1S电子与氧原子中仅有1个电子的2（SP3）杂化轨道交叠成键而形成的，称其为共享电子对轨道；另外两个椭球形轨道则是氧原子中的2（SP3）2电子轨道，这两个轨道通常被称为“孤对”电子对轨道。最终所形成的水分子电子运转轨道图形如图1-1-2所示。
在理想情况下，这样形成的水分子的内键角应为109°47′。但是，由于两个“孤对”电子之间较强的排斥作用，使水分子中的两个共享电子对轨道向一起靠拢，从而造成了水分子的内键角为104°45′。
图1-1-2 水分子核外电子轨道示意图
由于水分子核外电子的这样一种构型，使得水分子的正负电荷中心并不重合。在两对“孤对”电子一侧，是水分子中负电荷的集中区；而在两对共享电子对一侧，则是水分子中正电荷的集中区。由于水分子中“孤对”电子一侧的负电荷对其他水分子中氢原子核（质子）的吸引，从而造成了水分子间的氢键联接。
1.1.1.3 水分子的空间几何形状及电子云外形
由于水分子核外电子的上述排布与构型，同时也由于两对“孤对”电子的影响，使得水分子的核外电子云呈现为其中两个轮叶被折去部分、然后又被扭转90°角的四叶风扇轮叶的形状，其中两个短叶为两对“孤对”电子的轨道，而两个长叶则为两对共享电子对的轨道（图1-1-3）。水分子的整个核外电子云犹似被配置在被砍掉了尖锥的四棱体内，也像是对顶交叉摆放着的四个梨子（图1-1-4）。
图1-1-3 水分子的几何外形
图1-1-4 水分子核外电子云外形
1.1.1.4 水分子的极性
氧的电负性是3.5，氢的电负性为2.1，氢和氧的这种电负性差别导致了氢和氧之间形成共价键时电子分布的不均匀性，氢带有部分正电性，氧带有部分负电性，这就形成了一种典型的极性键。由极性键所形成的分子被称为极性分子，在极性分子中，正负电荷中心不相重合，即存在着两个“极”，故极性分子亦称偶极分子。
一个极性分子极性程度的大小，可根据其偶极矩的大小进行衡量。所谓偶极矩，指的是如果一个分子中带有两个相反电荷±q的质点，其点间距为d，则偶极矩就可定义为：
水文地球化学
偶极矩是一个表示电场性质的物理量，可通过实验测定，它是一个矢量，其方向由正到负。水分子的偶极矩μ=1.86×10-18厘米·静的单位。习惯上把10-18厘米·静的单位作为偶极矩的单位，并称其为“德拜”，以D表示。这样，水分子的偶极矩又可写成μ=1.86 D。
由于水分子中正负电荷中心之间的距离较大，故水分子的偶极矩较其他物质均大一些，因此水分子表现出较强的极性。当水分子相互靠拢时，相邻水分子就会因其所具有的极性而发生相互间的静电吸引。
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