¿Por qué el ángulo de enlace de la molécula de agua 109 y no 180?

Todos los electrones están cargados negativamente. Como dos lados sur de los imanes, como las cargas se repelen entre sí. Se sienten atraídos por los protones cargados positivamente en el núcleo, y dependen de la energía para orbitar el núcleo en lugar de simplemente “caer”. Se necesita más energía para estar más lejos del núcleo, por lo que, en general, los electrones están lo más cerca posible. Esta combinación de atracción y repulsión significa que los electrones generalmente se mantienen lo más lejos posible el uno del otro, siempre y cuando todavía tengan la energía para estar en esos lugares.

¿Ya ha cubierto la configuración electrónica? Si no, búsquelo si está confundido. El oxígeno es muy electronegativo: quiere ganar electrones para tener una carga negativa. Esto se debe a que solo necesita 2 electrones para tener una configuración electrónica que se asemeje a un gas noble, el neón, que es más estable (menos capaz de ser cambiado) que un átomo de oxígeno neutro. El hidrógeno prefiere abandonar un electrón, solo tener un núcleo sin electrones a su alrededor. Como resultado, cada hidrógeno en agua (H2O) le da un electrón al átomo de oxígeno, lo que significa que cada átomo de hidrógeno tiene 0 electrones, y los átomos de oxígeno tienen (6 iniciales + 2 de hidrógenos =) 8 electrones en su nivel de valencia (más externo) de electrones.

Los electrones tienden a emparejarse en electrones “arriba” y “abajo” debido a una química cuántica llamada ecuación de Schrödinger. Estos pares ocupan diferentes niveles (filas), orbitales (s, p, d, f, etc.) y suborbitales (p1 / 2, por ejemplo) que proporcionan soluciones únicas a la ecuación de Schrödinger. Resulta que el nivel de valencia de oxígeno tiene espacio para 4 pares de electrones en los orbitales syp, y esta es la clave.

Si tiene una hoja de papel plana y le pedí que dibujara cuatro líneas desde un punto para que las líneas estuvieran lo más separadas posible, ¿cuál sería el ángulo entre los puntos?

Ahora imagina en 3D que te pedí que hicieras lo mismo. No sería lo mismo (spoiler 🙂 90 grados, porque eso sería solo en un solo plano: puede separarlos aún más moviéndolos y creando un tetraedro (una pirámide de fondo triangular). ¿Cuáles son los ángulos de un tetraedro? Un agua de 180 ° solo tendría los pares solitarios alrededor del “cinturón” del oxígeno, a 90 grados de distancia de los hidrógenos y, por lo tanto, menos separados que un tetraedro.

Como uno de los otros autores aludió, no es un tetraedro perfecto. Esto se debe a que tiene dos cosas diferentes alrededor del oxígeno: pares solos de electrones y átomos de hidrógeno ocupan espacios diferentes y tienen repulsiones diferentes. Por el contrario, el metano tetraédrico (CH4) con una simetría tetraédrica perfecta coincide perfectamente con los ángulos de un tetraedro.

Porque el átomo de oxígeno también tiene 2 pares solitarios en su capa de valencia. Estos pares solitarios ocupan orbitales que empujan a los orbitales híbridos, formados por el oxígeno y el hidrógeno, lejos de sí mismos y disminuyen el ángulo de enlace.

En el agua, hay dos pares de electrones en el oxígeno central. Estos dos electrones se repelen contra los electrones alrededor de los átomos de hidrógeno. Hay repulsión electrón-electrón entre estas dos regiones de densidad electrónica. Esta repulsión obliga a los átomos de hidrógeno a alejarse de los pares de electrones de oxígeno, dando una desviación de 180 grados.

Espero que esto haya ayudado!

Material adicional que amplía las otras excelentes respuestas a esta pregunta.

“La teoría de la repulsión del par de electrones de la capa de valencia (VSEPR) es un modelo utilizado en química para predecir la geometría de las moléculas individuales a partir del número de pares de electrones que rodean sus átomos centrales”.

Teoría VSEPR