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IUPAC名
氧烷 (oxidane)[1], 水 (water)
别名 一氧化二氢 (dihydrogen monoxide, DHMO)
识别
CAS号 7732-18-5  ✓
PubChem 962
ChemSpider 937
SMILES
Beilstein 3587155
Gmelin 117
ChEBI 15377
RTECS ZC0110000
性质
化学式 H2O 或 HOH
摩尔质量 18.01524 g·mol⁻¹
外观 近无色微蓝透明晶体,液体或无色气体[2]
密度 1000 kg·m−3 (液,4 °C)
917 kg·m−3 (固)
熔点 °C, 32 °F (273.15 K)[3]
沸点 100 °C, 212 °F (373.15 K)[3]
pKa 15.74
~35-36
pKb 15.74
黏度 0.001 Pa·s, 20 °C
结构
晶体结构 六方
参见
分子构型 角形
偶极矩 1.85 D
危险性
主要危害 水中毒
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
0
0
 
相关物质
相关溶剂 丙酮甲醇
相关化学品 重水超重水过氧化氢
附加数据页
结构和属性 折射率介电系数
热力学数据 相变数据、固、液、气性质
光谱数据 UV-VisIRNMRMS
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

化学式H2O)是由两种元素经过化学反应后组成的无机物,在常温常压下为无色无味的透明液体。水是地球上最常见的物质之一,是包括人类在内所有生命生存的重要资源,也是生物体最重要的组成部分。水在生命演化中起到了重要的作用。人体内有百分之七十是水。水在科学哲学宗教文学美术体育神话等中都有所体现。

种类

水的四态:液态(海水)、固态(冰山)、气态(看不见的水蒸气)以及等离子。图中的云则是聚集在大气层上的水滴集合体。
水的四态:液态海水)、固态冰山)、气态(看不见的水蒸气)以及等离子。图中的则是聚集在大气层上的水滴集合体。
水的涟漪
水的涟漪

不同的学科对水有着一些不同的称呼:

此外还有:

  • 生物水:在各种生命体系中存在的不同状态的水
  • 天然水:天然水构成自然界地球表面各种形态的水相的总称。包括江河、海洋、冰川、湖泊、沼泽等地表水以及土壤、岩石层内的地下水等天然水体。
  • 土壤水:贮存于土壤内的水
  • 地下水:贮存于地下的水
  • 超纯水:纯度极高的水,多用于集成电路工业
  • 纯水:纯度高的水,被认为不导电
  • 结晶水:又称水合水。在结晶物质中,以化学键力与离子分子相结合的、数量一定的水分子
  • 重水的化学分子式为D2O,每个重水分子由两个原子和一个原子构成。重水在天然水中占不到万分之二,通过电解水得到的重水比黄金还昂贵。重水可以用来做原子反应堆减速剂和载热剂。
  • 超重水的化学分子式为T2O,每个重水分子由两个氚原子和一个氧原子构成。超重水在天然水中极其稀少,其比例不到十亿分之一。超重水的制取成本比重水高上万倍。
  • 半重水的化学分子式为HDO,每个分子中含一个原子、一个氘原子和一个氧原子。

物理与化学性质

水在常温常压下为无色无味的透明液体。在自然界,纯水是罕见的,水通常多是含有等物质的溶液,习惯上仍然把这种水溶液称为水。纯水可以通过蒸馏作用取得,当然,这也是相对意义上的纯水,不可能绝对没有杂质。水是一种可以在液态、气态和固态之间转化的物质。

在20℃时,水的热导率为0.006 J/s·cm·K,冰的热导率为0.023 J/s·cm·K,在的密度为0.1×103 kg/m3时,雪的热导率为0.00029 J/s·cm·K。水的密度在3.98℃时最大,为1×103kg/m3,温度高于3.98℃时,水的密度随温度升高而减小,在0~3.98℃时,水不服从热胀冷缩的规律,密度随温度的升高而增加。水在0℃时,密度为0.99987×103 kg/m3,冰在0℃时,密度为0.9167×103 kg/m3。因此冰可以浮在水面上。水的定压摩尔热容会随温度变化,在 0℃ 时,水的定压摩尔热容为 ,在 20℃ 时,水的定压摩尔热容为 ,在 100℃ 时,水的定压摩尔热容为 [4]

水的热稳定性很强,当水蒸气加热到2000K以上时,也只有极少量的水离解为,但水在通电的条件下(电解)会离解为氢和氧。具有很大的内聚力和表面张力,除以外,水的表面张力最大,并能产生较明显的毛细现象吸附现象。纯水有极微弱的导电能力,但普通的水因含有少量电解质(如矿物质、溶解大气二氧化碳形成的碳酸)而有较强的导电能力。

水的三相点是273.16K(611.73Pa下),临界点是647K(22.064 MPa下)。在临界点之上水无法存在液相及固相,而在临界点之下水蒸汽容易结成液相。

水溶液

水可以用来溶解很多种物质,是很好的极性无机溶剂,用水作溶剂的溶液,就称为水溶液。用“aq”作为记号,如“HCl(aq)”。特别需要注意的是,如果不作特殊说明,“xx溶液”,指的就是含有"xx"的水溶液。

当物质溶解于水时,离子化合物在水中发生电离,以离子态存在,这样的溶液一般是透明的。当分子溶于水时,有些可以与水发生反应,形成新物质,这些新物质溶解于水中,或者这些分子直接填补水分子间的空隙。这些分子、离子等都是溶质。另外,部分极性物质透过和水分子产生氢键而溶于水。

对于大部分物质,它们能在水中溶解的质量是有限度的。这种限度叫做溶解度。有些物质可以和水以任意比例互溶,如乙醇,但绝大多数物质在达到溶解度时,就不再溶解。会形成沉淀或者放出气体,这种现象叫做析出。

还有一种特殊的状态,叫做胶体。胶体中,粒子的大小在100nm左右,由于电荷的作用不沉淀,悬浮在溶液中。牛奶是一种常见的胶体。胶体和溶液的最本质区别是:胶体的粒子大小要比溶液大。

由于被溶解物质(称作溶质)的颗粒大小和溶解度不同,水溶液的透明度会有所不同,较透明的称作真溶液,较混浊的称作胶态溶液(又称假溶液),有些胶态溶液还会进一步在底部形成沉淀,成为沉淀胶态溶液。

来源

地球是太阳系八大行星之中唯一被液态水所覆盖的星球。地球上水的起源在学术上存在很大的分歧,目前有几十种不同的水形成学说。[5]有观点认为在地球形成初期,原始大气中的氢、氧化合成水,水蒸气逐步凝结下来并形成海洋;也有观点认为,形成地球的星云物质中原先就存在水的成分。另外的观点认为,原始地壳硅酸盐等物质受火山影响而发生反应、析出水分。也有观点认为,被地球吸引的彗星陨石是地球上水的主要来源[6]

在地球上的分布

各种型态的水在地球上的分布情形
各种型态的水在地球上的分布情形
各种型态的水在地球上的分布情形
各种型态的水在地球上的分布情形

地球表层水体构成了水圈,包括海洋河流湖泊沼泽冰川积雪地下水大气中的水。由于注入海洋的水带有一定的盐分,加上常年的积累和蒸发作用,海和大洋里的水都是咸水,不能被直接饮用。某些湖泊的水也是含盐水。世界上最大的水体是太平洋。北美的五大湖是最大的淡水水系。欧亚大陆上的里海是最大的咸水湖

地球上水的体积大约有1,360,000,000立方公里。其中:

  • 海洋占1,320,000,000立方公里(即97.1%);
  • 冰川和冰盖占25,000,000立方公里(即1.8%);
  • 地下水占13,000,000立方公里(即1.0%);
  • 河流、湖泊以及内陆海里的淡水占250,000立方公里(即0.0018%);
  • 大气中的水蒸气在任何已知的时候都占13,000立方公里(即0.0001%)。

意义与影响

对气候

水对气候具有调节作用。大气中的水汽能吸收地面辐射量的60%,再以大气逆辐射的形式返回地面,从而对地面起到保温作用。水的比热容很大,海洋和陆地水体夏季能吸收和积累热量,使气温不致过高;在冬季则能缓慢地释放热量,使气温不致过低。

雨雪等降水活动对气候形成重要的影响。海洋地表中的水蒸发到天空中形成了,云中的水通过降水落下来变成,零度以下则变成。由于不同的条件,水还会以冰雹露水等形态出现并影响气候和人类的活动。

对地形

地球表面有71%被水覆盖,从空中来看,地球是个蓝色的星球。水侵蚀岩石土壤,冲淤河道,夹带泥沙,营造平原,改变地表形态。

对生物

大部分学说认为,地球上的生命最初是在水中出现的。水是所有生物体的重要组成部分。人体中水占70%;而水母中98%都是水。水中生活着大量的水生植被水生生物

水有利于部分生物化学反应的进行,如动物消化作用植物光合作用。在生物体内还起到运输物质的作用,如血液中的血浆绝大部分都是水,有助于体内营养的传输。由于可以透过蒸发而降低温度,因此水对于维持生物体温度的稳定起很大作用,如动物汗液植物蒸腾作用

水的氢键使水成为特优的吸热能力,水将大部分所吸收的热,用来打断氢键,因此不会增加液体的温度,而水的比热容在25℃时,大约是4200J kg-1 K-1,比其它液体普遍较高。因为有此项特质,生活在水中的有机体能得到水的保护,而不会因空气中温度的急遽变化而有致命的危险。

对人类社会

水是人类生活的重要资源,一天必需摄取2~3升的水,并提供人们日常生活用水和工农业生产用水,特别是农业需要大量水进行灌溉。人类文明的起源大多都在大河流域,早期城市一般都在水边建立,以解决灌溉、饮用和排污问题。在人类日常生活中,水对于人类各方面的作用不可或缺。

随着科学技术的发展,人们兴修水利,与水涝害和洪水等自然灾害作斗争。因此形成了一些专门与水有关的研究领域,如水力学水文科学水处理等,甚而产生了以水为生的产业水产业

水资源

从水龙头中流出的饮用水
水龙头中流出的饮用水

水是地球上的任何生物、生命体的必需物质,缺水的土壤便无法孕育生物,淡水更是灌溉与孕育陆地生物的必要元素,淡水的来源、节约、储存、利用是全球的重要议题。

地球上水总储量约为1.36x1018m3,但除去海洋等咸水资源外,只有2.5%为淡水。淡水又主要以冰川和深层地下水的形式存在,河流和湖泊中的淡水仅占世界总淡水的0.3%。

世界气象组织于1996年初指出:缺水是全世界城市面临的首要问题,估计到2050年,全球有46%的城市人口将面临着缺水问题。对于水资源稀少的地区来说,水已经超出生活资源的范围,而成为战略资源,由于水资源的稀有性,水战争爆发的可能性越来越高。

为了让全世界都关心淡水资源短缺的问题,第47届联合国大会决定将每年3月22日定为“世界水日”。

早期人们会抽取使用地下水,然而使用地下水会造成地层下陷并破坏地底结构,造成无法回复的永久性破坏,亦有可能阻断地下水,所以许多国家立法禁止使用地下水,以避免各种永久性的损害。

海水淡化是其一种对策,但由于耗用能量过高及成本过高,多数海水淡化厂在建成后不久就因资金不足被迫关闭。在迪拜这个干旱但富裕的地方,则利用这个方法取得淡水。

来源

淡水水资源的主要来源包括雨水水、水、淡化海水地下水回收水[1]页面存档备份,存于互联网档案馆)等。

水循环

水循环(hydro-logical cycle)是水的一个自然循环过程。从蒸发到凝结再到蒸发,从云变成水,冰,再到水蒸气。地球上的水之所以一直留存,就是因为水循环。水循环通常是冰→水→云→水(→冰)的过程。

功用

人类生活和生产的方方面面都要使用到水资源。

  • 农业用水:各种灌溉用水,植物用水。
  • 工业用水:轻工业重工业机械工程土木工程建筑工程高科技产业能源产业皆须使用水资源。化学工业也非常多样化。一方面,它是无机和有机合成中必不可少的溶剂,反应介质或试剂。烷烃的蒸汽重整产生合成气[7],蒸汽裂解产生非常有价值的烯烃(乙烯丙烯)。它在基于丙烷和丙烯氧化的丙烯酸合成中也起着重要作用[8][9][10]。还正在进行深入研究以从水中产生过氧化氢 [11]
  • 都市用水:村落用水,生物都需要水分,人类的生活亦须使用水。
  • 观光用水:美丽的风景和观光区,皆需要使用水分。喷泉(包括音乐喷泉)以喷射水柱成为其中一个景观。
  • 沙漠灌溉用水:沙漠化是全球重要且困难的议题,沙漠化的原因在于水分的流失或缺少,因此要解决沙漠化问题,必须要有相当充足的水分灌溉并维持住水分。

储存

水资源的储水、供水、分配和调节亦是全球的重要议题。

节约

  • 生物的生活与水资源息息相关,然而在水资源的节约上,有很多的议题,例如废水的回收与再使用(中水)、都市污水处理系统、雨水收集使用、各式省水器具(省水马桶等)、大力推广农业滴灌种植技术。
  • 水资源对于生物如此重要,水资源的节约是全球相当重要性的议题。

造水

因为水对生命非常重要,所以人类尝试着根据水的基本特性以科学技术物理化学能量等各种方式来造水以增加水资源

污染

污水处理厂
污水处理厂

水污染即水体因某种物质的介入,而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特征的改变,从而影响水的有效利用,危害人体健康或者破坏生态环境。 水体中,最重要的指数是溶解氧。外来物质进入水体后,可以被微生物分解,被溶解氧氧化,这都要消耗一定的溶解氧,这叫做水体的“自净能力”,如果外来物质太多,溶解氧被完全消耗,就是超过了水体的自净能力,水中生物会因缺氧而窒息死亡或中毒,这就是污染状态。

污染的水若被生物饮用或灌溉,会严重的损害生物的健康,造成生物体被破坏、衰弱、生成疾病,严重者即失去生命。换言之,生物若饮用洁净的水,可保持健康、促进循环。因此避免水污染在全球是个重要的议题。为了解决这一问题,污水处理水污染控制措施就变得十分必要。

水文化

人类很早就开始对水产生了认识,圣经创世纪记载,水是神创造万物之前就存在的元素,“太初之时,上帝创造天地。 地乃虚旷,渊际晦冥,上帝之神,煦育乎水面”。(创世记1:1-2)[12] 东西方古代朴素的物质观中都把水视为一种基本的组成元素。

古代世界观中的水

在文明的早期,人们开始探讨世界各种事物的组成或者分类,水在其中扮演了重要角色。古代西方提出的四元素说中就有水;佛教中的四大种也有水;中国古代的五行学说中水代表了所有的液体,以及具有流动、润湿、阴柔性质的事物。

老子认为,如果在世界上找一样事物来描写“道”,最适合的就是“水”。因此,在《老子》第八章:“上善若水。水善利万物而不争,处众人之所恶,故几于道。”水滋润大地万物,却不争夺显赫的位置,处于大众讨厌的位置,去充满低洼之地,所以就接近于道了。第七十八章又说:“天下柔弱莫过于水,而攻坚强者莫之能胜,以其无以易之。”指出柔弱胜刚强的道理。《荀子》:“水能载舟,亦能覆舟”,指出了君王与民众的关系。

水崇拜

在从前,古人对于水兼有养育与毁灭能力、不可捉摸的性情,产生了又爱又怕的感情,而导致了水崇拜的出现。通过赋予水以神的灵性,祈求水给人类带来丰收和幸福。

中国传统上的龙王就是对水的神格化。凡有水域水源处皆有龙王,龙王庙、堂遍及全国各地。祭龙王祈雨是中国传统的信仰习俗。

水文逸

在某些地区,文逸代表常人,水文逸就是水亲近生活的叫法,赋予其灵性,因而产生了水文逸这个文化。

参考文献

  1. ^ Leigh, G. J.; et al. Principles of chemical nomenclature: a guide to IUPAC recommendations (PDF). Blackwell Science Ltd, UK. 1998: 34. ISBN 0-86542-685-6. (原始内容 (PDF)存档于2011-07-26). 
  2. ^ Braun, Charles L.; Sergei N. Smirnov. Why is water blue?. J. Chem. Educ. 1993, 70 (8): 612 [2008-05-15]. Bibcode:1993JChEd..70..612B. doi:10.1021/ed070p612. (原始内容 (HTML)存档于2012-04-03). 
  3. ^ 3.0 3.1 Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW), used for calibration, melts at 273.1500089(10) K (0.000089(10) °C, and boils at 373.1339 K (99.9839 °C)
  4. ^ 朱, 晓东. 热学. 合肥: 中国科学技术大学. 2014: 116. ISBN 978-7-312-03183-0. 
  5. ^ 视频:地球上的水是从哪里来的?. 优酷. [2014-11-02]. (原始内容存档于2014-11-02). 
  6. ^ Morbidelli A., Chambers J., Lunine J. I., Petit J. M., Robert F., Valsecchi G. B. "Source regions and time scales for the delivery of water to Earth".页面存档备份,存于互联网档案馆) Meteoritics & Planetary Science, vol. 35, no. 6, pp. 1309-13
  7. ^ 存档副本. [2020-06-13]. (原始内容存档于2020-06-13). 
  8. ^ Surface chemistry of phase-pure M1 MoVTeNb oxide during operation in selective oxidation of propane to acrylic acid. Journal of Catalysis, 285, 48-60. https://pure.mpg.de/rest/items/item_1108560_8/component/file_1402724/content页面存档备份,存于互联网档案馆
  9. ^ The reaction network in propane oxidation over phase-pure MoVTeNb M1 oxide catalysts. Journal of Catalysis, 311, 369-385, https://pure.mpg.de/rest/items/item_1896844_6/component/file_1896843/content页面存档备份,存于互联网档案馆
  10. ^ Kinetic studies of propane oxidation on Mo and V based mixed oxide catalysts. PhD Thesis,https://pure.mpg.de/rest/items/item_1199619_5/component/file_1199618/content页面存档备份,存于互联网档案馆
  11. ^ Electrochemical synthesis of hydrogen peroxide from water and oxygen https://www.nature.com/articles/s41570-019-0110-6页面存档备份,存于互联网档案馆
  12. ^ 創世紀第一章. [2021-09-08]. (原始内容存档于2021-12-24). 

参看

延伸阅读

[在维基数据]

维基文库中的相关文本:钦定古今图书集成·方舆汇编·坤舆典·水部》,出自陈梦雷古今图书集成

外部链接

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