水的化學式為什麼是H2O？

網路上有一段惡搞，「據不完全統計每年由於吸入液態一氧化二氫而導致的死亡率已經接近萬分之一，在人類的非正常死亡中位列前十；長時間不帶防護用具處於有固體一氧化二氫存在的環境中會引起生物的組織發黑壞死、生理機能失調」，其實這說的是溺水和凍傷。這裡所說的一氧化二氫指的是水。

根據IUPAC規定，正式名稱只有兩種：水(Water)與氧烷(Oxidane)。網路上出現的一氧化二氫、氧化氫、氫氧化氫等「另類命名」都不能在正式科學場合使用。

水在很長時間被人們認為是一種元素，例如古希臘哲學家把它當成「四元素」（水、火、氣、土）之一。直到18 世紀末，科學家才逐漸揭開水的神秘面紗、破解了水的組成的奧秘。

英國科學家普里斯特利（J.Priestley，1733—1804），經常給朋友們表演魔術，有一次他拿一個裝有「可燃空氣」（氫氣）的瓶子，在朋友們面前晃了幾下，然後，他迅速地把一支點著的蠟燭移近瓶子。「啪！」的一聲，瓶口吐出了長長的火舌，但立刻又熄滅了，瓶壁上出現了不少小液滴。1781年，卡文迪許(H.Cavendish, 1731-1810)知道了普利斯特利的這個魔術。卡文迪許用不同比例的「可燃空氣」和空氣混合物進行實驗，發現大約2份體積的「易燃空氣」與1份體積的氧恰好完全化合，並確認所得小液滴是水。但兩位科學家未能突破傳統觀念的束縛，錯誤地用兩種氣體里都含有水這種「元素」來解釋所觀察到的實驗現象。隨後法國科學家拉瓦錫（A.L.Lavoisier，1743—1794）做了一個實驗：讓水蒸氣通過一根燒紅的槍管，發現有「可燃空氣」產生。由此他認為水不是一種元素，而是「可燃空氣」和氧的化合物，並把「可燃空氣」命名為氫。1800 年，英國科學家卡里斯爾(A.Carlisle，1768—1840) 等用伏打電池電解水獲得成功，進一步證明了拉瓦錫的結論。

在初中化學階段，通過模擬卡里斯爾的電解水實驗來研究水的組成。在水電解器的玻璃管里裝滿水，通直流電，可以觀察到電極上有氣泡產生，一段時間後與電源正、負兩極相連的玻璃管內收集到的氣體體積比約為1:2。與電源正極相連的玻璃管內收集到的氣體能使燃著的木條燃燒得更旺，證明它是氧氣。與電源負極相連的玻璃管內收集到的氣體可以被燃著的木條點燃，燃燒時發出淡藍色火焰，證明它是氫氣。

電解水實驗證明了水是由氫元素和氧元素組成的化合物。

圖：水電解器

圖：檢驗電解水的生成物

電解水生成的氫氣和氧氣的體積比為2:1，已知10.1kPa、0℃時，氫氣的密度約為0.0899g/L、氧氣的密度約為1.429g/L，據此可以計算出電解水生成的氫氣和氧氣的質量比為1:8。根據質量守恆定律，水中氫元素、氧元素的質量比為1:8。氫原子的相對原子質量約為1，氧原子的相對原子質量約為16，從而可以計算出水分子中氫原子、氧原子的原子個數比為2:1，即1個水分子由2個氫原子和1個氧原子構成，所以水的化學式為H2O。

圖：水分子模型

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審核：李繼良