Почему H2O? (Таблица Д.И. Менделеева: H = водород, O = кислород)

Коротко: вода — это H₂O, потому что атом кислорода обычно образует две ковалентные связи, а атом водорода — одну. Чтобы «насытить» кислород двумя связями, ему нужно два водорода.

Чуть подробнее — по шагам.

1. Валентность и электронное строение

• У кислорода 6 валентных электронов (конфигурация …2s²2p⁴). До «восьмёрки» не хватает 2 электронов, поэтому он стремится образовать 2 связи.

• У водорода 1 валентный электрон (1s¹). Ему нужна одна связь, чтобы «добрать» до дублета (как у He).

• В молекуле H–O–H кислород образует две ковалентные связи — по одной с каждым водородом. Это и даёт формулу H₂O.

2. Геометрия молекулы

• У кислорода в воде две связи и две неподелённые пары электронов — всего четыре «электронные области», что соответствует тетраэдрическому распределению.

• Из-за двух неподелённых пар молекула не линейная, а «согнутая» (угол H–O–H ≈ 104,5°).

• Разная электроотрицательность делает связи полярными: на O частичный «–», на H — частичный «+». Отсюда — многие уникальные свойства воды.

3. Стехиометрические факты из опытов

• При электролизе воды образуется в 2 раза больше водорода по объёму, чем кислорода (2:1), что согласуется с H₂O.

• Массовый состав воды: примерно 11,19% H и 88,81% O. Это следует из относительных атомных масс:
  H: ~1,008; O: ~15,999 ⇒ (2×1,008)/(2×1,008 + 15,999) ≈ 11,19%. Такие измерения подтверждают именно формулу H₂O.

• При сгорании водорода: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Коэффициенты показывают, что на одну молекулу O₂ приходится две молекулы H₂, то есть в продукте на каждый O — два H.

4. Почему не «HO», «H₂O₂» или «H₃O»?

• «HO» как отдельная устойчивая нейтральная молекула не существует в обычных условиях: это либо гидроксильный радикал •OH (крайне реакционноспособен), либо гидроксид-ион OH⁻ (несёт заряд).

• H₂O₂ — это уже другая молекула (пероксид водорода), где между атомами кислорода есть связь O–O, а степень окисления кислорода −1, а не −2, как в воде. Свойства у неё совершенно иные.

• H₃O⁺ — ион гидроксония. Он появляется в растворах кислот, когда к молекуле воды присоединяется протон H⁺. Но нейтральная «вода как таковая» — это H₂O.

Итог: из валентности (O — двухвалентен, H — одновалентен), из геометрии и из прямых экспериментов по составу и реакциям следует, что стабильная нейтральная молекула воды имеет формулу H₂O.