水的本质：从哲学观点到科学视角
关于“水是H₂O”的争论，自古以来就吸引了哲学家的关注。从不同角度出发，他们辩论着“水就是H₂O”和“H₂O就是水”的命题。在中学化学课程中，我们被灌输了“水是H₂O”这一概念，并认为其中不存在争议。
化学家有不同的看法
化学家们对这个问题的看法截然不同。
水的分子式
本文将通过科学角度为大家揭示其中的奥秘。
水何以成水？
乍一看，这个问题似乎愚不可及。
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。它广泛存在于地球表面，是生命不可或缺的组成部分。正是地球上大量液态水的存在才孕育出了生命。我们一天可以不吃东西，但一天不能不呼吸，同样也必须每天补充水分。
水是生命的源泉
水有许多不同的名称：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）官方认可它的名称只有两个： 水(Water)、氧烷(Oxidane)。
化学家认为，H₂O是“一个H₂O分子的集合”，而非组成水微观结构的描述。“H₂O”是构成式，用来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更能反映水的某些物理和化学特性。
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。许多人不知道的是，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，但更与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。
水分子间通过氢键相互形成分子团
给你一个极干净的杯子，杯子里装了一杯极纯净的水，杯子里会全是H₂O分子吗？并不如此。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。
水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。
水合氢离子H₃O⁺的球棒模型
由于分子间氢键的作用，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。
一个大气压下，当水的温度在0℃~3.98℃时
水：分子排列和超临界状态
水分子在固态和液态下排列有别。
当温度达到临界温度 (374℃) 和压力达到临界压力 (22.1MPa) 时，水会展现出超临界状态，其中气态和液态完全融合。此种状态下的水具有极强的氧化能力，甚至可以像王水一样腐蚀黄金。与水的其他物理化学性质一样，水的超临界性质并非由单个 H₂O 分子所决定，而是与其分子力场和分子间氢键键合方式密切相关。
水分子力模型
氢有三种核素：氕、氘和氚。氕是我们最常见的氢，其原子核仅有一个质子。氕的同位素氘，其原子核有一个质子和一个中子，质量是氢的两倍。氚的原子核有一个质子和两个中子。
重水和普通水一样，都是由氢的核素氘和氧合而成的液体化合物。由于重水可以减缓中子的速度，因此它被广泛用作核反应堆中的中子减速剂。
半重水和重水模型
氚在自然界中极少，但氘却很丰富。自然界中重水 (D₂O) 的含量约为 0.015%；半重水 (HDO) 的含量约为 0.031%。实际上，我们饮用的每一杯水中都含有这些物质。如果你把一壶水烧干，最后剩下的水中 D₂O 和 HDO 的含量会更高，因为它们的沸点比 H₂O (约 101℃) 高，重水不易蒸发。
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) 相比无明显毒性，因此不会对我们的健康造成影响。
水的本质
上述分析表明，所谓的“水不是 H₂O”并不是文字游戏，而是基于以下严肃的科学原理：
- 水只有在众多 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，而单个或两个 H₂O 分子无法做到这一点。
- 决定水物理化学特性的因素包括水分子的力场、分子间氢键的作用、分子与其离子态的复杂转换关系，以及温度和压力等因素。
- 天然纯水中不仅存在 H₂O 分子，还存在 D₂O 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来看，“水”是一个谓词，水的实际特征需要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。