为什么我们不能说水是H2O？

纯牛马 · 昨天 19:29

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关于“水是H2O”的论点，一直是哲学家们喜欢的话题，他们从各种角度论证“水就是H2O”、“H2O就是水”。我们从初中接触化学起，也被老师教育说水是H2O，于是大家都不认为这中间存在什么问题。
但化学家们显然并不这么看。

　　（水的分子式）
本文就向你介绍其中的科学道理。
水是H2O分子的集合
水是什么？这看起来像是个傻问题。
水是由氢和氧两种元素按2:1的比例组成的无色无嗅无味透明的无机液体，它广泛分布在地球表面；它是生命的重要组成部分，地球上正是有了大量液态水才孕育出生命，我们可以一天不吃东西，但没有办法一天不呼吸，也必须每天补充水。

　　（水是生命的源泉）
水有很多的名称：一氧化二氢、氢氧化氢、氧化氢、氢氧酸、氧烷......等等。国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）给它的正式命名只有两个：水(Water)、氧烷(Oxidane)。
H2O是水分子的化学式，化学家们认为水是“H2O分子的集合”，而H2O本身并不代表任何水微观结构的描述，“H2O”是组成式，用以描述制造水的氢和氧的组合比例。相比之下，水分子的结构式H—O—H更能反应水的某些物理和化学特性。
　　（水分子因氢氧原子所携带的电荷而拥有很强的极性）
我们都知道，水有固态、液态和气态这三种形态，许多人不知道水还有超固体、超液体、超临界流体、等离子体、费米子凝聚态、玻色-爱因斯坦凝聚态等许多形态。水之所以存在这么多的形态，与单个H2O分子的原子键相关，更与H2O分子间的氢键相关。像许多其它物质一样，单个H2O分子无法体现水的形态，它只是H2O分子，它不是水。

　　（水分子间通过氢键相互形成分子团）
水其实并不简单
给你一个极干净的杯子，里边装了一杯极纯净的水，杯子里会全是H2O分子吗？并不。在任何一杯液态水里，都会存在着自由电离的氢离子和氢氧根离子。
在这里“H3O+”被称为水合氢离子，事实上水合氢离子常常体现为H9O4+，这意味着氢离子和氢氧根离子在液态水中与H2O分子共存，并且随时重组、不断变换自己的身份。
纯水中氢离子物质的量浓度为10^-7mol/L，看起来不多，但很重要。
因为分子间氢键的作用，H2O分子会结合成更大的聚合物，当一个携带正电荷的氢离子附着在一个聚合物簇的一点上时，就可以诱导电荷在簇间的协同转移，在某个遥远的点释放一个氢离子。其结果是电荷从一个点转移到另一个点，而不需要携带它的物质转移。水就是通过这种方式导电的。
水的物理特性与水分子间的氢键有很大关系
一个大气压下，当水的温度在0℃~3.98℃时，水中大多是两个H2O或三个H2O分子抱成团，形成（H2O）2和（H2O）3缔合分子，这时候水分子间的距离最近，水的密度最大；
温度升高，缔合分子越来越少，水开始膨胀；当温度上升到100℃，水分子间的氢键断开，单个的水分子变成水蒸气；
而温度降低到0℃以下时，水开始结冰，所有的H2O分子会聚合成一个巨大的分子团，由于水分子力场的关系，氧原子会与附近两个水分子的氢原子结成氢键，这种晶体结构造成更大的空隙，使体积膨胀。这就是冰的密度比水低、会浮在水面的原因。

　　（水在固态与液态的分子排列）
当达到374℃的临界温度和22.1MPa的临界压力时，水会呈现气体与液体完全交融的超临界状态，此时的水会显示出极强的氧化能力，它甚至可以跟王水一样腐蚀黄金。与水的其它物理化学性质一样，水的超临界性质也不是单个H2O分子所能具备的，它与水分子的力场以及分子间的氢键组合方式密切相关。

　　（水分子力的模型及力点分布）
重水
氢有三种核素，分别是氕、氘和氚。我们最常见的氢就是氕，它的原子核中仅有一个质子；氕的同位素氘，其原子核中有一个质子和一个中子，它比氢重一倍；氚的原子核有一个质子和两个中子。
重水和普通水一样，也是由氢的核素氘与氧化合而成的液体化合物。因为重水可以降低中子的速率，所以它作为中子的减速剂被广泛用于核反应堆中。

　　（半重水与重水的球棒模型）
氚在自然界中极少，但氘却有很多。自然界中重水（D2O）的含量约占0.015%；另外还有一种半重水（HDO）的含量约为0.031%。实际上我们喝的每一杯水中都有它们的存在，如果你把一壶水烧干，最后剩下的水中D2O和HDO的含量会更多，因为它们的沸点比H2O更高（约101℃），重水更不容易气化。
由于重水在自然界水中的含量极低，加之重水与普通水（轻水）相比没什么毒性，所以对我们的健康不会造成什么影响。
总结：
分析到这里，你应该明白了，所谓的“水不是H2O”并不是玩弄什么文字游戏，严谨表述的背后是一系列严肃的科学道理：
水只有在许许多多H2O分子组合成分子集合时，才能表现出其独特的物理和化学特性，这是一个或两个H2O分子做不到的；

　　（表面张力是水分子键力作用的结果）
决定水物理化学特性的除了水分子的力场、分子间氢键的作用、分子与其离子态复杂的转换关系外，还与温度与压力等因素密切相关；
天然的纯水中不只有H2O分子，还存在D2O分子和HDO分子，正是这些分子共同构成了水这种平凡又神奇的液体。
水不是H2O，H2O也不等于水，水是H2O分子的集合。从物质的化学特性角度，“水”是一个谓词，水的实际特征需参考其微观结构和宏观特征，而H2O只是水分子的一个化学符号而已。