话说水分子（二）-水分子的极性与键角

在上一篇末尾我们留下了两个问题：一个是既然氧原子的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，但实际却是104.5 （图1）；另一个是为什么我们把水分子称之为极性分子。实际上对水分子的键角104.5 有不同的理论解释，这里我们只介绍最简单的那种解释。

图1 水分子的结构

自然界中的各种原子都具有一定的亲和电子的本领。在通过共价键形成的分子中，我们把原子把共用电子对拉向自己的本领称为电负性。氟原子具有最大的电负性，如果我们指定氟原子的电负性为4作为标准，就可以给其它不同的原子比较出电负性的标度。比如氧原子的电负性是3.5，氢原子的电负性是2.1。这样，在O-H键上的共用电子对就会更靠近氧原子，而离开氢原子远些。这就可以形象地说成，氢原子核有一部分裸露在水分子电子云的外面，而电子密度比较集中在氧原子附近。或者说成，在氢原子上分布有部分正电荷δ+，在氧原子上分布有部分负电荷δ-，因而O-H键具有了极性，是一种极性键。在水分子中电荷的分布如图2所示。

图2 水分子中的电荷分布

在明确了极性键以后，下面就可以解释键角的问题了。前面我们说，就氧原子2p轨道的方向性来说，两个O-H键的键角应该是90 ，但由于在两个氢原子上各分布有一定的部分正电荷，所以它们之间的静电排斥力会使键角扩张，由90 扩大到104.5 。

从图2可见，水分子中有一个带负电荷的点和两个带正电荷的点。两个带正电荷的点可以有一个重心，即正电荷的中心，我们叫它水分子的正极；在水分子中氧原子附近又有一个负电荷中心，我们叫它水分子的负极。所以，如图3那样，我们可以说水分子是一个极性分子，它有一个带正电荷的极和一个带负电荷的极，就像地球有南极和北极两个磁极一样。

图3 水分子的极性

水分子的极性使得每个水分子都形成一个电场，靠着电场等因素的共同作用，水分子实现了互相取向，形成了水在不同形态的不同结构和特有的物理性质。

水分子的这种极性结构，就决定了水的一切独有的特性。比如在我们日常生活中常用微波炉加热食物，其原理就是利用食物中水分子的极性，在旋转的外加磁场作用下，有极性的水分子会随着磁场方向的变化产生有规律的振动，我们说热的本质就是分子运动，所以自然地，食物就被加热了。

（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。）