¿Por qué los pares de electrones solitarios en los lados opuestos de la molécula en una molécula de agua, de manera similar a la forma plana cuadrada?

Supongo que te refieres a por qué es mejor modelarlo en 3 D en lugar de un dibujo 2D.

Un átomo de oxígeno tiene seis electrones en su capa externa. Acepta dos electrones más (o más bien comparte electrones con otro átomo cuando forma enlaces covalentes).

Cuando se une con hidrógeno para formar agua, obtiene dos electrones adicionales. Esto significa que ahora tiene 8 electrones en su capa externa. En 2D es posible imaginarlo así:

El O y H representan el núcleo de oxígeno e hidrógeno que llevan cargas + ve. La rosa e representaría los electrones del átomo de oxígeno y la blanca s son los electrones del átomo de hidrógeno. Imagina que les gusta estar en parejas. Estos pares llevan una carga de doble ve.

En 3D: el mundo real, estos cuatro pares de electrones se repelerán y tratarán de alejarse lo más posible el uno del otro. Lo hacen moviéndose a las esquinas de una forma de cuatro lados: un tetraedro.

Esto significa que la molécula de agua está doblada con una carga negativa en un lado y dos cargas positivas en el otro lado. Es una molécula polarizada.

Muy simple: los pares de electrones solitarios se repelen entre sí y repelen los pares de enlace debido a la repulsión eléctrica. Y este hecho muy simple (ya sea en sentido clásico o cuántico) explica por qué estas geometrías se encuentran en las moléculas tal como son.

Tanto en la química cuántica como en el enfoque simplificado y no cuántico VSEPR, este hecho siempre conduce a la verdadera forma de la molécula.

Geometría de Moléculas