Een watermolecuul is de kleinste eenheid van water: één zuurstofatoom dat aan twee waterstofatomen is gebonden, geschreven als H₂O. Het molecuul is ongeveer 0,28 nanometer (280 picometer) breed, gemeten als de ruimte die één molecuul inneemt tussen de moleculen om zich heen. Een nanometer is een miljardste van een meter en een picometer is een duizendste van een nanometer.

Grootte

Een molecuul heeft geen harde buitenkant. De elektronen vormen een wolk die geleidelijk ijler wordt. Hoe groot een molecuul is, hangt dus af van de manier van meten.

De middelpunten van de drie atomen liggen dicht bij elkaar. Elk waterstofatoom ligt ongeveer 0,096 nanometer van het zuurstofatoom en de twee bindingen maken een hoek van ongeveer 104,5 graden. Door die hoek heeft het molecuul een gebogen vorm, met de twee waterstofatomen ongeveer 0,15 nanometer uit elkaar.

De elektronenwolk reikt verder dan de middelpunten van de atomen, dus elk molecuul neemt meer ruimte in dan alleen die middelpunten. Wetenschappers schatten de grootte vaak aan de hand van hoe dicht watermoleculen op elkaar zitten. In vloeibaar water plaatsen röntgenmetingen de middelpunten van naburige moleculen 0,280 nanometer uit elkaar. Een schatting uit handboeken, gebaseerd op het aantal moleculen dat in een liter water past, geeft ruwweg 0,3 nanometer.

Groottevergelijkingen

• Ongeveer 290.000–360.000 watermoleculen, naast elkaar, zouden de breedte van een mensenhaar beslaan, dat 0,08–0,1 millimeter breed is.
• Als een watermolecuul werd vergroot tot de grootte van een tennisbal, zou een mensenhaar van 0,1 millimeter breed ongeveer 24 kilometer breed zijn.
• Een cesiumatoom, een van de grootste atomen, is ongeveer 0,5 nanometer breed, net geen twee keer zo breed als een watermolecuul.

Waarom watermoleculen aan elkaar kleven

Zuurstof trekt sterker aan gedeelde elektronen dan waterstof. De elektronen in een watermolecuul zijn daarom vaker in de buurt van het zuurstofatoom. Daardoor krijgt de zuurstofkant een lichte negatieve lading en krijgen de waterstofkanten een lichte positieve lading. Een molecuul met zo gescheiden ladingen heet polair.

Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan, dus elk watermolecuul trekt aan zijn buren. Deze aantrekkingskrachten heten waterstofbruggen. Ze houden watermoleculen bij elkaar aan het oppervlak van een vloeistof, waardoor water oppervlaktespanning heeft. Daarom vormt water druppels op een droog oppervlak in plaats van plat uit te vloeien.

Hoe water in cellen komt

Water gaat snel door de membranen rond veel cellen via eiwitkanalen die aquaporines heten. Peter Agre en zijn collega's identificeerden het eerste aquaporine in de membranen van menselijke rode bloedcellen, en elke rode bloedcel draagt er ongeveer 200.000. Agre deelde in 2003 de Nobelprijs voor de Scheikunde voor de ontdekking van waterkanalen.

Op het smalste punt is het kanaal 0,28 nanometer breed, ongeveer de grootte van één watermolecuul. Watermoleculen gaan er daarom een voor een doorheen, ongeveer 3 miljard per seconde door elk kanaal. De smalle opening en een elektrische lading erin houden protonen tegen, de geladen deeltjes die een vloeistof zuur maken. In de nieren helpen aquaporines om 99 procent van het water terug te nemen dat uit het bloed is gefilterd.

Bronnen

• Experimental data for H2O (Water). NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark Database.
• Benchmark oxygen-oxygen pair-distribution function of ambient water from x-ray diffraction measurements with a wide Q-range. Skinner et al., Journal of Chemical Physics, 2013.
• How big are biochemical nuts and bolts?. In Cell Biology by the Numbers, by Ron Milo and Rob Phillips. Garland Science, 2015.
• Inhibitors of Mammalian Aquaporin Water Channels. Abir-Awan et al., International Journal of Molecular Sciences, 2019.
• Aquaporin Water Channels. Nobel Lecture by Peter Agre, Nobel Foundation, 2003.
• The Nobel Prize in Chemistry 2003. Nobel Prize Outreach.
• Cesium. PubChem, National Library of Medicine.
• Water. In Biology 2e. OpenStax, 2018.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
• Rules of Tennis 2026. International Tennis Federation, 2026.