Deux représentations de la molécule d'eau. On peut représenter une molécule en symbolisant ou non les liaisons entre atomes avec un "bâton".




Atomes d'hydrogène et d'oxygène

Image réalisée par Bernard Silvi et Andreas Savin, Laboratoire de chimie théorique, CNRS, Paris.

L’eau est un corps dont l’unité de base est une molécule : la molécule d’eau. La molécule d’eau est formée d’un atome d’oxygène relié à deux atomes d’hydrogène. On la note H₂O (H pour atome d’hydrogène et O pour atome d’oxygène).

En première analyse, tous les atomes sont formés d’un noyau dense, porteur d’une charge électrique positive, autour duquel gravitent des électrons, particules élémentaires, porteurs d’une charge électrique négative. Mais du point de vue de la charge électrique, un atome est toujours globalement neutre, sans charge
Le plus petit de tous les atomes est l'atome d'hydrogène qui ne possède qu'un seul électron.

Il est courant de représenter un atome comme ci-dessous, en faisant tourner ses électrons (son électron dans le cas de l'atome d'hydrogène) autour de son noyau car un tel modèle est facilement compréhensible. Mais cela laisse entendre que les électrons ont des trajectoires connues, bien définies et quasi circulaires autour du noyau, comme les planètes autour du soleil. Or, ce n’est pas le cas.

Les physiciens ne connaissent pas le mouvement des électrons, mais ils peuvent en revanche calculer la probabilité de trouver un électron en un lieu donné autour du noyau et représenter alors l’atome comme ci-dessous. Sur cette représentation, il est beaucoup plus probable de trouver un électron là où la densité de coloration est la plus forte.

Le "nuage" électronique de l'atome d'hydrogène. (Ill. R. Bichac)

Un tel "partage" n’est pas toujours équitable, car certains atomes peuvent être plus avides d’électrons que d’autres. C’est ce qu’il se passe dans la molécule d’eau, où l’oxygène a tendance à capter plus fortement les électrons que l’hydrogène. Dans cette molécule, la charge négative des électrons engagés dans les liaisons n’est donc pas répartie de manière homogène entre les atomes d’hydrogène et d’oxygène : l’atome d’oxygène est chargé négativement et l’atome d’hydrogène positivement. On dit d’une telle molécule que c’est une molécule polaire. Cette polarité est une propriété extrêmement importante de la molécule d’eau.

Les deux représentations très schématiques de la molécule d’eau proposées ci-dessus ne permettent pas de voir de quelle manière les électrons de chacun des atomes sont répartis au sein de la molécule.
En revanche, la représentation proposée ci-contre, résultat d'un calcul rigoureux effectué par des scientifiques, montre les régions au sein desquelles la probabilité de trouver une paire d'électrons et une seule est la plus grande.La molécule d’eau possède en effet au total dix électrons dont huit proviennent de l’atome d’oxygène, les deux autres provenant des deux atomes d’hydrogène.
Les lobes bleus figurent les domaines où se situent préférentiellement les paires d'électrons qui assurent les liaisons oxygène - hydrogène au sein de la molécule (une paire pour chaque liaison).
La petite sphère rose matérialise le domaine des deux électrons de l’atome d’oxygène qui ne participent pas aux liaisons chimiques, et que l’on appelle des électrons " de cœur ".
Enfin, le domaine orangé correspond aux 4 derniers électrons de l’atome d’oxygène groupés par paires. Ces électrons dits " libres ", très importants, sont ceux qui permettent la formation des fameuses liaisons hydrogène dont il est question plus loin.