關于“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，于是大家都不認為這中間存在什麼問題。

但化學家們顯然并不這麼看。

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态水才孕育出生命，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）給它的正式命名隻有兩個： 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本身并不代表任何水微觀結構的描述，“H₂O”是組成式，用以描述制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，水有固态、液态和氣态這三種形态，許多人不知道水還有超固體、超液體、超臨界流體、等離子體、 費米子凝聚态、玻色-愛因斯坦凝聚态等許多形态。水之所以存在這麼多的形态，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态，它隻是H₂O分子，它不是水。

水分子間通過氫鍵相互形成分子團

給你一個極幹淨的杯子，裡邊裝了一杯極純淨的水，杯子裡會全是H₂O分子嗎？并不。在任何一杯液态水裡，都會存在着自由電離的氫離子和氫氧根離子。

它會體現出這樣的電離平衡：H₂O <==> H⁺ OH⁻

或者： H₂O H₂O <==> H₃O⁺ OH⁻

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⁺，這意味着氫離子和氫氧根離子在液态水中與H₂O分子共存，并且随時重組、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。

水合氫離子H₃O⁺的球棒模型

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着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。

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，由于水分子力場的關系，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。

水在固态與液态的分子排列

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态，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

氫有三種核素，分别是氕、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于核反應堆中。

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）的含量約占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，如果你把一壺水燒幹，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。

由于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。

分析到這裡，你應該明白了，所謂的“水不是H₂O”并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：

水隻有在許許多多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、分子與其離子态複雜的轉換關系外，還與溫度與壓力等因素密切相關；

天然的純水中不隻有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也不等于水，水是H₂O分子的集合。從物質的化學特性角度，“水”是一個謂詞，水的實際特征需參考其微觀結構和宏觀特征，而H₂O隻是水分子的一個化學符号而已。