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水的化学式为什么是H2O

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网络上有一段恶搞,“据不完全统计每年由于吸入液态一氧化二氢而导致的死亡率已经接近万分之一,在人类的非正常死亡中位列前十;长时间不带防护用具处于有固体一氧化二氢存在的环境中会引起生物的组织发黑坏死、生理机能失调”,其实这说的是溺水和冻伤。这里所说的一氧化二氢指的是水。

根据IUPAC规定,正式名称只有两种:水(Water)与氧烷(Oxidane)。网络上出现的一氧化二氢、氧化氢、氢氧化氢等“另类命名”都不能在正式科学场合使用。

水在很长时间被人们认为是一种元素,例如古希腊哲学家把它当成“四元素”(水、火、气、土)之一。直到18 世纪末,科学家才逐渐揭开水的神秘面纱、破解了水的组成的奥秘。

英国科学家普里斯特利(J.Priestley,1733—1804),经常给朋友们表演魔术,有一次他拿一个装有“可燃空气”(氢气)的瓶子,在朋友们面前晃了几下,然后,他迅速地把一支点着的蜡烛移近瓶子。“啪!”的一声,瓶口吐出了长长的火舌,但立刻又熄灭了,瓶壁上出现了不少小液滴。1781年,卡文迪许(H.Cavendish, 1731-1810)知道了普利斯特利的这个魔术。卡文迪许用不同比例的“可燃空气”和空气混合物进行实验,发现大约2份体积的“易燃空气”与1份体积的氧恰好完全化合,并确认所得小液滴是水。但两位科学家未能突破传统观念的束缚,错误地用两种气体里都含有水这种“元素”来解释所观察到的实验现象。随后法国科学家拉瓦锡(A.guanhuaju.comvoisier,1743—1794)做了一个实验:让水蒸气通过一根烧红的枪管,发现有“可燃空气”产生。由此他认为水不是一种元素,而是“可燃空气”和氧的化合物,并把“可燃空气”命名为氢。1800 年,英国科学家卡里斯尔(A.Carlisle,1768—1840) 等用伏打电池电解水获得成功,进一步证明了拉瓦锡的结论。

在初中化学阶段,通过模拟卡里斯尔的电解水实验来研究水的组成。在水电解器的玻璃管里装满水,通直流电,可以观察到电极上有气泡产生,一段时间后与电源正、负两极相连的玻璃管内收集到的气体体积比约为1:2。与电源正极相连的玻璃管内收集到的气体能使燃着的木条燃烧得更旺,证明它是氧气。与电源负极相连的玻璃管内收集到的气体可以被燃着的木条点燃,燃烧时发出淡蓝色火焰,证明它是氢气。

电解水实验证明了水是由氢元素和氧元素组成的化合物。

图:水电解器

图:检验电解水的生成物

电解水生成的氢气和氧气的体积比为2:1,已知10.1kPa、0℃时,氢气的密度约为0.0899g/L、氧气的密度约为1.429g/L,据此可以计算出电解水生成的氢气和氧气的质量比为1:8。根据质量守恒定律,水中氢元素、氧元素的质量比为1:8。氢原子的相对原子质量约为1,氧原子的相对原子质量约为16,从而可以计算出水分子中氢原子、氧原子的原子个数比为2:1,即1个水分子由2个氢原子和1个氧原子构成,所以水的化学式为H2O。

图:水分子模型

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