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水的化学式是怎么写(H₂O是水分子但水不是H₂O)

longge 03-23 16:27 阅读 我爱育娃


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。

水的化学式是怎么写(H₂O是水分子但水不是H₂O)

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。

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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。

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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

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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。

它会体现出这样的电离平衡:H₂O <==> H⁺+OH⁻

或者:H₂O+H₂O <==> H₃O⁺+OH⁻

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。

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水合氢离子H₃O⁺的球棒模型

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。

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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。

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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。

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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;

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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。

文章评论

水的化学式是怎么写(H₂O是水分子但水不是H₂O)文章写得不错,值得赞赏