Das H2O-Molekül ist gewinkelt und nicht linear in der Struktur, da die ungebundenen Elektronenpaare des Sauerstoffs stärker sind als die gebundenen Elektronenpaare. Die negative Ladung der Elektronen möchte sich um das Zentralatom herum so viel verteilen was zu einer keulenförmigen Orbitalbildung in tetraedrischer Symmetrie führt. Die gegenseitige Abstoßung der Elektronen und der Einfluss der übrigen Elektronen beeinflussen den tatsächlichen Winkel von 104⸴5 Grad zwischen den Wasserstoffatomen im Wassermolekül.
Die Valenzstruktur des Wassermoleküls kann durch das VSEPR-Modell erklärt werden. Das VSEPR-Modell (Valence Shell Electron Pair Repulsion) sagt voraus, dass Elektronenpaare in der äußeren Schale eines Atoms sich so weit wie möglich voneinander entfernen um die gegenseitige Abstoßung zu minimieren. Im Fall von H2O gibt es zwei freie Elektronenpaare um das Sauerstoffatom herum. Diese Elektronenpaare nehmen weiterhin Platz ein als die gebundenen Elektronen zwischen Sauerstoff und Wasserstoff. Daher ist es energetisch günstiger · dass sich die beiden freien Elektronenpaare auf einer Seite des Sauerstoffs befinden · anstatt jeweils eines auf der einen und anderen Seite.
Um dies besser zu verstehen kann man sich um das Sauerstoffatom einen Tetraeder vorstellen. Die Wasserstoffatome liegen ungefähr an zwei der Tetraederecken. Vergleicht man dies mit den Molekülen Methan (CH4) und Ammoniak (NH3), sieht man, dass die Elektronenpaare ebenfalls hier keulenförmig angeordnet sind. In diesen Molekülen ist die Valenzschale des Zentralatoms voll besetzt was zu einer ähnlichen tetraedrischen Symmetrie führt.
Die hantelförmigen s-Orbitale, über die der Wasserstoff im Wassermolekül gebunden ist sind nicht kugelförmig allerdings haben ein spezifisches räumliches Muster. Die H2O-Moleküle nehmen deshalb eine keulenförmige Struktur an, obwohl dabei der Winkel von 104⸴5 Grad zwischen den Wasserstoffatomen entsteht.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das H2O-Molekül aufgrund der starken Abstoßung der ungebundenen Elektronenpaare eine gewinkelte Struktur annimmt. Diese Struktur ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der negativen Ladungen um das Zentralatom und minimiert die gegenseitige Abstoßung der Elektronen. Eine lineare Struktur, ebenso wie sie bei der hypothetischen Anordnung der freien Elektronenpaare auf jeweils einer Seite des Sauerstoffs entstehen würde, wäre energetisch ungünstig.
Warum ist das H2O-Molekül gewinkelt und nicht linear in der Struktur?
Warum befinden sich die zwei freien Elektronenpaare des Sauerstoffs im H2O-Molekül auf einer Seite und nicht jeweils eines auf der einen und eines auf der anderen, was zu einer linearen Struktur führen würde? Wäre das nicht ein energetisch günstigerer Zustand?