Por que não podemos respirar embaixo da água?

Algo a se considerar a respeito de produtos químicos é que, depois que reagir em outras condições, eles formam compostos que não são nada semelhantes aos elementos originais. Por exemplo, carbono, hidrogênio e oxigênio juntos podem resultar em glicose (C6H12O6), vinagre (C2H4O2), gordura  ou etanol (C2H5OH). Glicose, gordura, etanol e vinagre, não são nada parecidos uns com os outros, mas são feitos dos mesmos elementos em diferentes proporções.
No caso do gás hidrogênio e do oxigênio, se reagirem juntos você obterá água líquida (H2O). O motivo pelo qual não podemos respirar água líquida, é porque o oxigênio usado para fazer a água está vinculado a dois átomos de hidrogênio, e não podemos respirar o líquido resultante. O oxigênio é inútil para nossos pulmões dessa forma.

O oxigênio que o peixe respira não é o oxigênio existente no composto H2O. O peixe está respirando, na realidade, O2 (gás oxigênio) que está dissolvido na água. Muitos gases diferentes se dissolvem em líquidos, e vemos um exemplo disso nas bebidas gasosas. Nessas bebidas, há tanto gás carbônico dissolvido na água que ele sai na forma de bolhas.

O peixe "respira" o oxigênio dissolvido dentro da água, usando suas guelras. Na realidade, a extração do oxigênio não é muito fácil - o ar contém cerca de 20 vezes mais oxigênio do que o mesmo volume de água. Além disso, a água é muito mais pesada e espessa que o ar e, portanto, é necessário muito mais trabalho para movimentá-la. O principal motivo pelo qual as guelras funcionam para o peixe deve-se ao fato do peixe ter sangue frio, reduzindo a sua necessidade de oxigênio. Os animais de sangue quente, como as baleias, respiram o ar como as pessoas, pois seria difícil extrair oxigênio suficiente usando guelras.

Os homens não conseguem respirar embaixo da água porque nossos pulmões não têm área de superfície suficiente para absorver o oxigênio da água, e a estrutura de nossos pulmões é adaptada para lidar com o ar, e não com a água. No entanto, houve experimentos com homens respirando outros líquidos, como fluorcarbonetos. Os fluorcarbonetos podem dissolver oxigênio suficiente, e nossos pulmões podem retirar o oxigênio.
Via HowStuffWorks