水分子（H2O）は、酸素原子（O）と水素原子（H）の間に極性が生じるため、折れ線形（V字型）の構造を持っています。この記事では、水分子のH-O-H結合角（θ）がなぜ104.5°に設定されるのか、その理由について詳しく解説します。
水分子の極性とは？
水分子は、酸素原子と水素原子の間に共有結合を形成し、酸素が水素よりも電子を強く引き寄せます。このため、酸素原子には部分的な負の電荷（δ-）、水素原子には部分的な正の電荷（δ+）が生じ、極性を持つ分子となります。極性分子は、外部の電場に対して特定の方向に並ぶ性質を持ちます。
水分子は、この極性により、液体状態で特異な性質を示します。例えば、強い水素結合を形成し、液体の水は非常に高い沸点を持っています。
水分子の折れ線形構造
水分子は折れ線形をしており、酸素原子を中心に水素原子が配置されています。酸素原子の外側には2つの孤立電子対があり、このため水分子の構造は単純な直線型ではなく、角度を持つ折れ線型になります。これにより、分子全体が極性を示します。
水分子のH-O-H結合角（θ）は104.5°であり、これは水素原子が酸素原子に引き寄せられた結果の角度です。なぜ90°ではなく、104.5°になるのでしょうか？
なぜ水分子のH-O-H結合角は104.5°なのか？
水分子のH-O-H結合角が90°ではなく、104.5°である理由は、酸素原子の電子対の影響です。酸素原子には2つの孤立電子対があり、これらの電子対は水素原子と結合する水酸基（O-H）の結合角に影響を与えます。
酸素の孤立電子対は、結合を形成する水素原子との相互作用を避けるため、空間的に反発しあいます。この反発によって、H-O-H結合角は90°よりも広くなり、104.5°の角度が安定した構造となるのです。
電子対の反発と水分子の形状
水分子の結合角が104.5°である理由を深く理解するためには、「ヴァン・デル・ワールス力」や「孤立電子対の反発」といった化学的な概念を考慮する必要があります。酸素原子の2つの孤立電子対は、結合電子対（O-H）の間で反発力を発生させ、結合角を広げます。この反発が原因で、水分子の角度は理論的には90°ではなく、104.5°に設定されます。
したがって、104.5°という角度は、酸素原子と水素原子が最も安定した配置を取るための自然な結果です。この角度によって、水分子は極性を維持し、強い水素結合を形成することができます。
まとめ
水分子のH-O-H結合角が104.5°である理由は、酸素原子の孤立電子対が水素原子との結合角に影響を与え、反発によって結合角が90°より広がるためです。これにより、最も安定した構造が形成され、水分子の極性が保たれることになります。この結合角は水分子の特性に大きな影響を与え、液体としての水の異常な性質に寄与しています。
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