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【科普】水的化學(xué)式為什么是H2O

來源:科普中國      2016-02-16
導(dǎo)讀:水在很長時(shí)間被人們認(rèn)為是一種元素,例如古希臘哲學(xué)家把它當(dāng)成“四元素”(水、火、氣、土)之一。直到18 世紀(jì)末,科學(xué)家才逐漸揭開水的神秘面紗、破解了水的組成的奧秘。
  網(wǎng)絡(luò)上有一段惡搞,“據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)每年由于吸入液態(tài)一氧化二氫而導(dǎo)致的死亡率已經(jīng)接近萬分之一,在人類的非正常死亡中位列前十;長時(shí)間不帶防護(hù)用具處于有固體一氧化二氫存在的環(huán)境中會引起生物的組織發(fā)黑壞死、生理機(jī)能失調(diào)”,其實(shí)這說的是溺水和凍傷。這里所說的一氧化二氫指的是水。

  根據(jù)IUPAC規(guī)定,正式名稱只有兩種:水(Water)與氧烷(Oxidane)。網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)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(xué)場合使用。

  水在很長時(shí)間被人們認(rèn)為是一種元素,例如古希臘哲學(xué)家把它當(dāng)成“四元素”(水、火、氣、土)之一。直到18 世紀(jì)末,科學(xué)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(xué)家普里斯特利(J.Priestley,1733—1804),經(jīng)常給朋友們表演魔術(shù),有一次他拿一個(gè)裝有“可燃空氣”(氫氣)的瓶子,在朋友們面前晃了幾下,然后,他迅速地把一支點(diǎn)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(xiàn)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(gè)魔術(shù)??ㄎ牡显S用不同比例的“可燃空氣”和空氣混合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)大約2份體積的“易燃空氣”與1份體積的氧恰好完全化合,并確認(rèn)所得小液滴是水。但兩位科學(xué)家未能突破傳統(tǒng)觀念的束縛,錯(cuò)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

  隨后法國科學(xué)家拉瓦錫(A.L.Lavoisier,1743—1794)做了一個(gè)實(shí)驗(yàn):讓水蒸氣通過一根燒紅的槍管,發(fā)現(xiàn)有“可燃空氣”產(chǎn)生。由此他認(rèn)為水不是一種元素,而是“可燃空氣”和氧的化合物,并把“可燃空氣”命名為氫。1800 年,英國科學(xué)家卡里斯?fàn)?A.Carlisle,1768—1840) 等用伏打電池電解水獲得成功,進(jìn)一步證明了拉瓦錫的結(jié)論。


  在初中化學(xué)階段,通過模擬卡里斯?fàn)柕碾娊馑畬?shí)驗(yàn)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(chǎn)生,一段時(shí)間后與電源正、負(fù)兩極相連的玻璃管內(nèi)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(nèi)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(fù)極相連的玻璃管內(nèi)收集到的氣體可以被燃著的木條點(diǎn)燃,燃燒時(shí)發(fā)出淡藍(lán)色火焰,證明它是氫氣。

電解水實(shí)驗(yàn)證明了水是由氫元素和氧元素組成的化合物。



  電解水生成的氫氣和氧氣的體積比為2:1,已知10.1kPa、0℃時(shí),氫氣的密度約為0.0899g/L、氧氣的密度約為1.429g/L,據(jù)此可以計(jì)算出電解水生成的氫氣和氧氣的質(zhì)量比為1:8。根據(jù)質(zhì)量守恒定律,水中氫元素、氧元素的質(zhì)量比為1:8。氫原子的相對原子質(zhì)量約為1,氧原子的相對原子質(zhì)量約為16,從而可以計(jì)算出水分子中氫原子、氧原子的原子個(gè)數(shù)比為2:1,即1個(gè)水分子由2個(gè)氫原子和1個(gè)氧原子構(gòu)成,所以水的化學(xué)式為H2O。


來源|科普中國  編輯|化學(xué)加

官微 化學(xué)加 2016-2-15同時(shí)發(fā)出

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