為什麼我們不能說水是H2O?和氫鍵有很大關係

關於「水是H2O」的論點，一直是哲學家們喜歡的話題，他們從各種角度論證「水就是H2O」、「H2O就是水」。我們從初中接觸化學起，也被老師教育說水是H2O，於是大家都不認為這中間存在什麼問題。

但化學家們顯然並不這麼看。

（水的分子式）

本文就向你介紹其中的科學道理。

水是H2O分子的集合

水是什麼？這看起來像是個傻問題。

水是由氫和氧兩種元素按2:1的比例組成的無色無嗅無味透明的無機液體，它廣泛分布在地球表面；它是生命的重要組成部分，地球上正是有了大量液態水才孕育出生命，我們可以一天不吃東西，但沒有辦法一天不呼吸，也必須每天補充水。

（水是生命的源泉）

水有很多的名稱：一氧化二氫、氫氧化氫、氧化氫、氫氧酸、氧烷......等等。國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）給它的正式命名只有兩個：水(Water)、氧烷(Oxidane)。

H2O是水分子的化學式，化學家們認為水是「H2O分子的集合」，而H2O本身並不代表任何水微觀結構的描述，「H2O」是組成式，用以描述製造水的氫和氧的組合比例。相比之下，水分子的結構式H—O—H更能反應水的某些物理和化學特性。

（水分子因氫氧原子所攜帶的電荷而擁有很強的極性）

我們都知道，水有固態、液態和氣態這三種形態，許多人不知道水還有超固體、超液體、超臨界流體、等離子體、費米子凝聚態、玻色-愛因斯坦凝聚態等許多形態。水之所以存在這麼多的形態，與單個H2O分子的原子鍵相關，更與H2O分子間的氫鍵相關。像許多其它物質一樣，單個H2O分子無法體現水的形態，它只是H2O分子，它不是水。

（水分子間通過氫鍵相互形成分子團）

水其實並不簡單

給你一個極乾淨的杯子，裡邊裝了一杯極純淨的水，杯子裡會全是H2O分子嗎？並不。在任何一杯液態水裡，都會存在著自由電離的氫離子和氫氧根離子。

在這裡「H3O+」被稱為水合氫離子，事實上水合氫離子常常體現為H9O4+，這意味著氫離子和氫氧根離子在液態水中與H2O分子共存，並且隨時重組、不斷變換自己的身份。

純水中氫離子物質的量濃度為10^-7mol/L，看起來不多，但很重要。

因為分子間氫鍵的作用，H2O分子會結合成更大的聚合物，當一個攜帶正電荷的氫離子附著在一個聚合物簇的一點上時，就可以誘導電荷在簇間的協同轉移，在某個遙遠的點釋放一個氫離子。其結果是電荷從一個點轉移到另一個點，而不需要攜帶它的物質轉移。水就是通過這種方式導電的。

水的物理特性與水分子間的氫鍵有很大關係

一個大氣壓下，當水的溫度在0℃~3.98℃時，水中大多是兩個H2O或三個H2O分子抱成團，形成（H2O）2和（H2O）3締合分子，這時候水分子間的距離最近，水的密度最大；

溫度升高，締合分子越來越少，水開始膨脹；當溫度上升到100℃，水分子間的氫鍵斷開，單個的水分子變成水蒸氣；

而溫度降低到0℃以下時，水開始結冰，所有的H2O分子會聚合成一個巨大的分子團，由於水分子力場的關係，氧原子會與附近兩個水分子的氫原子結成氫鍵，這種晶體結構造成更大的空隙，使體積膨脹。這就是冰的密度比水低、會浮在水面的原因。

（水在固態與液態的分子排列）

當達到374℃的臨界溫度和22.1MPa的臨界壓力時，水會呈現氣體與液體完全交融的超臨界狀態，此時的水會顯示出極強的氧化能力，它甚至可以跟王水一樣腐蝕黃金。與水的其它物理化學性質一樣，水的超臨界性質也不是單個H2O分子所能具備的，它與水分子的力場以及分子間的氫鍵組合方式密切相關。

（水分子力的模型及力點分布）

重水

氫有三種核素，分別是氕、氘和氚。我們最常見的氫就是氕，它的原子核中僅有一個質子；氕的同位素氘，其原子核中有一個質子和一個中子，它比氫重一倍；氚的原子核有一個質子和兩個中子。

重水和普通水一樣，也是由氫的核素氘與氧化合而成的液體化合物。因為重水可以降低中子的速率，所以它作為中子的減速劑被廣泛用於核反應堆中。

（半重水與重水的球棒模型）

氚在自然界中極少，但氘卻有很多。自然界中重水（D2O）的含量約佔0.015%；另外還有一種半重水（HDO）的含量約為0.031%。實際上我們喝的每一杯水中都有它們的存在，如果你把一壺水燒乾，最後剩下的水中D2O和HDO的含量會更多，因為它們的沸點比H2O更高（約101℃），重水更不容易氣化。

由於重水在自然界水中的含量極低，加之重水與普通水（輕水）相比沒什麼毒性，所以對我們的健康不會造成什麼影響。

總結：

分析到這裡，你應該明白了，所謂的「水不是H2O」並不是玩弄什麼文字遊戲，嚴謹表述的背後是一系列嚴肅的科學道理：

水只有在許許多多H2O分子組合成分子集合時，才能表現出其獨特的物理和化學特性，這是一個或兩個H2O分子做不到的；

（表面張力是水分子鍵力作用的結果）

決定水物理化學特性的除了水分子的力場、分子間氫鍵的作用、分子與其離子態複雜的轉換關係外，還與溫度與壓力等因素密切相關；

天然的純水中不只有H2O分子，還存在D2O分子和HDO分子，正是這些分子共同構成了水這種平凡又神奇的液體。

水不是H2O，H2O也不等於水，水是H2O分子的集合。從物質的化學特性角度，「水」是一個謂詞，水的實際特徵需參考其微觀結構和宏觀特徵，而H2O只是水分子的一個化學符號而已。