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水分子

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中文名: 水 外文名: Water 別 名: 氧化氫、氧烷、一氧化二氫 化學式: H₂O 分子量: 18.0152 CAS登錄號: 7732-18-5 EINECS登錄號: 231-791-2 熔 點: 0 ℃ 沸 點: 100 ℃(標準大氣壓) 密 度: 1g/cm³,10³kg/m³（t=4℃） 外 觀: 常溫下無色透明液體 應 用: 溶劑、維持生命、電子工業等 比熱容: 4.186kJ/(kg·℃) 臨界溫度: 374.3℃ 臨界壓力: 22.05MPa 導電率: 0.055μS/cm

水（化學式為H₂O），是由氫、氧兩種元素組成的無機物，無毒，可飲用。在常溫常壓下為無色無味的透明液體，被稱為人類生命的源泉，是維持生命的重要物質，也叫氧化氫。

水是地球上最常見的物質之一，地球表面有71%被水覆蓋。它是包括無機化合、人類在內所有生命生存的重要資源，也是生物體最重要的組成部分。

純水導電性十分微弱，屬於極弱的電解質。日常生活中的水由於溶解了其他電解質而有較多的陰陽離子，才有較為明顯的導電性。

水是地球上最常見的物質之一，地球有71%的表面被水覆蓋。水在空氣中含量雖少，但卻是空氣的重要組分。

物理、化學性質

水在常溫下為無色、無味、無臭的液體。

水在3.98℃時密度最大（999.97kg/m³，近似計算中常取1000kg/m³）。固態水（冰）的密度（916.8kg/m³）比液態水的密度（999.84kg/m³）小，所以冰能漂浮在水面上。水結冰時，體積略有增加。

在標準大氣壓（101.325kPa）下，純水的沸點為100℃，凝固點為0℃。

純水的理論電導率為σ＝0.055μS/cm。

水的比熱容大，c＝75.3 J/(mol·℃)，所以能很好地起到調節溫度的作用。

水的生成焓很高，ΔfHmθ＝-285.8kJ/mol，所以熱穩定性好。在2000K的高溫下，其離解不足百分之一。

常溫下，水的離子積常數Kw＝1.00×10-14。

水分子是極性的，即水分子的正負電荷中心不重合（見圖片），這使得水成為一種很好的溶劑。

很多常見氣體可以溶解在水中，如氫氣、氧氣、氮氣、二氧化碳、惰性氣體等，這些氣體的溶解度與溫度、壓力、氣相分壓等因素有關。

生理意義

水是人體正常代謝所必需的物質，正常情況下身體每天要通過皮膚、內臟、肺以及腎臟排出1.5L左右的水，以保證毒素從體內排出。

兒童體內有80%的水，老人體內則有50％~60%，正常中年人體內則有70%的水。

水在機體內有許多重要功能：

（1）水是細胞原生質的重要組分；

（2）水在體內起溶媒作用，溶解多種電解質；

（3）水在體內起運輸作用，可以傳遞營養物質、代謝廢物和內分泌物質（如激素）等；

（4）水有較高熱導性和比熱，可作為「載熱體」在體內和皮膚表面間傳遞熱量，有助於人體調節體溫。

重水

化學式D2O，又稱氧化氘。1931年H.C.尤萊在把4L液氫在-259℃下緩慢蒸發到剩餘數毫升，光譜分析時發現了重氫「D」，稱氘。氘（deuterium）的意思是2，表示原子量等於2的氫同位素。由重氫和氧組成的化合物稱重水，分子量為20.028，比普通水分子量18.016高出約11%。純重水在1933年就已製得。普通水中所含重水很少，約占普通水質量的0.02%，自然界沒有富含重水的源泉。重水在外觀上和普通水相似，但許多物理性質不同，其比較見下表。

重水分子間氫鍵力較大，分子間范德華力也較大，所以它的熔點、沸點比水高。常溫下重水的蒸氣壓比水小，這是水精餾法富集重水的理論根據。在25℃時重水的粘度比水大2.3%，致使許多電解質在重水中的電導率比水中小。重水的介電常數低於水，鹽類在重水中的溶解度一般小些，在25℃時1g水能溶解0.3592g氯化鈉，但1g重水只能溶解0.3056g；在25℃時，碘在四氯化碳和水間的分配係數是85:1，而在四氯化碳和重水間的分配係數是103:1。重水表面張力、離子積（2×10-15）數值都比水小，重水的反應速度比水的同樣反應要慢些。重水有吸水的性質，和濃硫酸相像，必須將它保存在密封的容器內。

重水的主要用途是在核反應堆中做「減速劑」，減小中子速度，控制核裂變過程，也是冷卻劑。重水和氘在研究化學和生理變化中是一種寶貴的示蹤材料，例如，用稀重水灌溉樹木，可以測知水在這些植物中每小時可運行十幾米到幾十米。測定飲過大量稀重水的人尿中的氘含量，知道水分子在人體中停留時間平均為14天。用氘代替普通氫，可以研究動植物消化和新陳代謝過程。濃的或純重水不能維持動植物生命，重水對一般動植物的致死濃度為60%。

生產重水的方法很多，曾用過電解法、水精餾法等，現在利用H2S/H2O雙溫交換法，先把重水富集約15%後，再電解富集成99.8%，該法成本低廉。

水的起源

關於地球上水的來源有許多各不相同的認識，各有各的道理，但真相究竟如何，還有待於科學家們收集更多的客觀證據，以揭開這個謎。眾所周知，地球表面72%的面積被水覆蓋。然而，地球上的水從哪兒來，卻始終是未解之謎。

《自然》雜誌載文稱，德國明斯特大學的科學家通過對來自加拿大不列顛哥倫比亞省塔吉胥湖隕石和地球地幔岩石樣品的同位素分析顯示，水在地球上出現的時間比此前預期的要晚很多。這在很大程度上反駁了此前很多科學家所持有的「水是地球形成階段時期由隕石表面的冰層轉變而來」的說法。地球上水的起源和形成時間決定了地球演化的方向和生命起源的時間。對於地球上的水的來源，目前比較有代表性的是「外源說」和「內源說」兩種說法。

外源說

顧名思義，外源說認為地球上的水來自地球外部。而外來水源的候選者之一便是彗星和富含水的小行星。被譽為「髒雪球」的彗星，其成分是水和星際塵埃，彗星撞擊地球會帶來大量的水。而有些富含水的小行星降落到地球上成為隕石，也含有一定量的水，一般為0.5%~5%，有的可達10%以上，其中碳質球粒隕石含水更多。

球粒隕石是太陽系中最常見的一種隕石，大約占所有隕石總數的86%。正因如此，一些科學家認為，正是彗星和小行星等地外天體撞擊地球時，將其中冰封的水資源帶入地球環境中。

然而，科學家研究發現，大多數彗星水的化學成分與地球水並不匹配。此外，上述德國明斯特大學科學家認為，既然隕石是在地球形成階段就已經降落到地球的，那麼應該在地球的地幔中留下相應的化學痕跡。如果水確實是在這一階段由隕石帶到地球上的，那麼地幔中的同位素水平和隕石中的同位素水平應該相同，而當他們將不列顛哥倫比亞塔吉胥湖的隕石中釕同位素及地球地幔中釕同位素進行對比分析後卻發現，兩者的同位素水平並沒有任何相似之處。

據此，德國明斯特大學科學家表示，這證明，如果水確實是由彗星或小行星帶到地球上的，則其來到地球上的時間並不是地球的形成期，而是地球演化到形成地殼和地幔之後的時期。但並不排除另一種情況，即水最開始其實是星際塵埃的組成部分，而地球則正是由星際塵埃所組成的。

外來水源的另一個候選者是太陽風。太陽風是指從太陽日冕向行星際空間輻射的連續的等離子體粒子流，是典型的電離原子，由大約90%的質子（氫核）、7%的α粒子（氦核）和極少量其他元素的原子核組成。

有科學家認為，地球上的水是太陽風的傑作。首先提出這一觀點的科學家是托維利。他認為，太陽風到達地球大氣圈上層，帶來大量的氫核、碳核、氧核等原子核，這些原子核與地球大氣圈中的電子結合成氫原子、碳原子、氧原子等。再通過不同的化學反應變成水分子，據估計，在地球大氣的高層，每年幾乎產生1.5噸這種「宇宙水」。這種水以雨、雪的形式降落到地球上。更重要的是，地球水中的氫與氚含量之比為6700∶1，這與太陽表面的氫氚比也是十分接近的。因此托維利認為，這可以充分說明地球水來自太陽風。

但太陽風形成的水是如此之少，在地球45億年生命史中，也不過形成了67.5億噸水，與現今地球表面的水貯量（包括液態水、固態冰雪和氣態水汽）1.3860×1010億噸相比，不過九牛一毛。

自源說

自源說認為地球上的水來自於地球本身。地球是由原始的太陽星雲氣體和塵埃經過分餾、坍縮、凝聚而形成的。凝聚後的這些星子繼續聚集形成行星的胚胎，然後進一步增大生長而形成原始地球。地球起源時，形成地球的物質裡面就含有水。

在地球形成時溫度很高，水或在高壓下存在於地殼、地幔中，或以氣態存在於地球大氣中。後來隨着溫度的降低，地球大氣中的水冷凝落到了地面。岩漿中的水也隨着火山爆發和地質活動不斷釋放到大氣、降落到地表。匯集到地表低洼處的水就形成了河流、湖泊、海洋。地球內部蘊含的水量是巨大的。地下深處的岩漿中含有豐富的水。有人根據地球深處岩漿的數量推測，在地球存在的45億年內，深部岩漿釋放的水量可達現代全球大洋水的一半。

還有一種說法認為在地球開始形成的最初階段，其內部曾包含有非常豐富的氫元素，它們後來與地幔中的氧發生了反應並最終形成了水。

水岩

地球科學家傾向於認為，地球上的水來源於地球自身演化過程中的岩漿水等，天文學家更傾向於是彗星等撞擊地球帶來的水。目前兩種觀點誰都沒有說服誰。

很多人似乎覺得太空中的水很稀少，實際上水在太陽系中非常豐富。例如我們的臨近行星——火星，已經在其表面發現了很多乾涸的河床、湖泊、三角洲、沖積扇等，這說明火星表面曾經有大量的水。現在科學家也相信，火星地下和兩極可能藏有很多水。此外，一些小行星、海王星軌道之外的柯伊伯帶的天體上也有大量的水存在。而在柯伊伯帶以外的奧爾特雲更是分布着大量的彗星，這些彗星大部分就由水組成。液態水能否存在的關鍵在於星球表面的溫度。在地球上，由於溫度通常在0℃~100℃之間，因此水才可能以液態形式存在。

有的星球如金星表面溫度達到400多攝氏度，遠遠超過了水的沸點，所以沒有液態水。有的星球如火星，表面溫度達到了零下四五十攝氏度，低於水的冰點，即使有水也都冰凍了，所以也不會有很多液態水。所以水出現在地球上並非偶然，而是必然現象。地球水的「第四種形態」地球上的水絕大多數其實並不是以我們所熟知的冰、水、氣三種形式存在。水還有另外一種存在形式，這種形式異乎尋常——那就是封存在岩石中的水。

可以說，這些岩石像一個巨大的水庫，它的含水量至少與地球上所有河流、海洋和冰川中的水量加起來一樣多，或許還是海洋水量的4倍、6倍或10倍。但它們一直被深埋在我們腳下410千米處。科學家把這種融入水的礦石稱為「水合礦物質」，即「水岩」。科學家認為，這種水岩遍布地下400千米~650千米的深處，厚達240千米，比地球表面的水層還要厚。即使這種礦石的含水量只有1%，其水量也很大，實際上已相當於地球海洋水量的幾倍。

水總硬度指的是水中鈣離子、鎂離子的總量，是衡量自來水是否符合標準的依據，主要可以分為暫時硬度和永久硬度兩大類。暫時硬度是指水中的鈣鎂離子以碳酸鹽的形式存在，遇熱就會形成碳酸鹽沉澱，最終被除去；而永久硬度則是指水中鈣鎂離子主要以硫酸鹽、硝酸鹽等形式存在，性質穩定，不易除去。

測定意義

水硬度是評價水質的一個重要標準，對於飲用水以及工業用水有着很重要的影響。水硬度過高可能會形成水垢，影響產品質量。因此，為確定水質以及進行水的相關處理，要對水中鈣鎂離子進行測定，即水總硬度的測試。

水總硬度的監測分析是水質檢測的重要工作之一，不僅影響到水的質量，還會影響到人們生產以及生活的安全。在科技快速發展的今天，更多的檢測技術的應用，提高了水總質量檢測的準確性，保障了水質的安全以及使用質量。

解決辦法

水總硬度的檢測受到環境因素的影響，如果在滴定過程中發現沒有出現終點色，有可能是鐵離子、銅離子以及錳離子等的干擾，它們與指示劑形成更加穩定的絡合物，導致EDTA不能把金屬離子置換出來，就會影響水總質量的測定。

（1）鐵離子

在水總硬度測試中，鐵的含量過高，就會干擾到測試的結果。相應的解決辦法就是要在加入緩衝溶液之前加入三乙醇胺，加快滴定速度，將鐵離子屏蔽。或者也可以利用沉澱過濾的方法來除去鐵離子，減少測試的誤差。

（2）銅離子

在水總質量的測試中，若是水樣中存在銅離子，將會出現指示劑封閉的現象，導致測試結果不清晰。相應的解決方法之一就是在加入緩衝溶液之前加入氰化鉀，使之與銅離子反應從而消除銅離子的干擾，但是要注意氰化鉀的劇毒性，儘量減少使用；另一種方法就是加入硫化鈉，也是使其與銅離子反應，形成硫化銅沉澱，將其過濾掉。

（3）鋁離子

若是水樣中存在鋁離子，在其作用下，可能會吸附指示劑，導致終點色出現時間延長，影響水硬度的測試。而解決辦法可以參考鐵離子的解決辦法，使水總硬度測試順利進行。

（4）水樣總鹼度

水總硬度檢測中，如果水樣滴定終點變藍，但是又很快的變回紫色，則證明水的鹼性很大，主要是由於鈣鎂離子造成的，相應的解決辦法就是可以在檢測之前將鹽酸酸化煮沸，可以去除一定的鹼性，之後需要將氫氧化鈉與之融合至中性，再繼續檢測將會發現滴定終點顏色變化會更明顯。

（5）有機物、懸浮物及膠狀物質

水總硬度檢測過程中如果發現水樣中有機物、懸浮物質過多，就會影響其終點顏色變化的觀察，影響到最終測試的結果。相應的解決辦法就是將着色物用乙醚去除掉，或者是用硝酸等進行溶解，在去除多餘的酸性，中和之後再進行水總硬度的檢測。

我國淡水資源總量較多，但按人口、耕地平均占有水平來看，是很低的。與世界上許多國家相比，我國淡水資源問題比較嚴重，儘管我國河川徑流總量居世界第六位，但是由於我國國土遼闊，人口眾多，人均和畝均占有量均低於世界平均水平。人均占有量為世界人均占有量的1/4左右，畝均占有量僅為世界畝均占有量的3/4。據對149個國家和地區的最新統計，中國人均占有量已經退居世界110位。因此，正確處理好水及人和人及於水兩方面的關係比世界上任何一個國家都艱巨複雜。

我國淡水資源在地區上分布不均，水土組合不平衡。我國的水量和徑流深的分布總趨勢是由東南沿海向西北內陸遞減，並且與人口數耕地的分布不相適應。81%集中分布在長江及其以南地區，而耕地面積僅占全國的 36%；淮河及其以北地區耕地面積占全國 64%。

我國降水及河川的年內分配集中，年際變化大，連豐連枯年份比較突出。我國主要河流都出現過幾年來水較豐和幾年來水較枯現象。例如黃河在過去幾十年中曾出現過連續9年（1943~1951）的豐水期；在近幾十年內也曾出現過連續28年（1972~1999）的少水期，其中斷流21年。降水量和徑流量在時程上的這種劇烈變化，給淡水資源的利用帶來困難。要充分利用淡水資源勢必修建各種類型的水利。

淡水資源污染波及全國。如果從淡水資源人均占有量上說，中國缺水主要是指北方區域的話，那麼，淡水資源的污染卻是一個具有全國性的問題。而且，越是豐水區和大城市，越是人口密集地區，往往污染越是嚴重。結果豐水區出現水質性缺水的現象。這是中國淡水資源更為嚴重的問題。

用水效率低和過度開發並存。首先是用水效率低，而且，越是缺水的地方，效率就越低。比如，嚴重缺水的黃河流域，農業灌溉大量採用的還是大漫灌方式。農業用水如此，工業用水也是如此。目前中國工業用水重複利用率遠低於先進國家75%的水平單位GDP用水量是先進國家的十幾倍到幾十倍，一些重要產品單位耗水量也比國外先進水平高几倍，甚至幾十倍。

對淡水資源過度開採的情況日趨嚴重。比如海河流域，海河流域是中國人口最密集的地區之一，包括北京、天津、河北大部分地區和山東、山西、內蒙、河南部分地區，區域內有26個大中城市。這個地區也是中國最為缺水的地區，人均只有293立方米。這些年來，這裡的社會經濟的狀況發生了很大變化。從20世紀80年代以來，中國的缺水現象由局部逐漸蔓延至全國，對農業和國民經濟帶來了嚴重影響。

南水北調

中國鬧水荒，主要是指北方。特別是近20年來的自然變化和人類活動的影響，淡水資源南多北少的趨勢更加嚴重。這種由自然、地理、氣象等因素所形成的淡水資源分布情況，單用軟科學的辦法是很難解決問題的。必須用硬辦法。正在進行中的南水北調工程，就是硬辦法之一。

優化水資源配置

優化資源配置主要包括兩個方面的內容，其一是解決我國水資源分布不平衡，利用效率低的問題。當前我國政府已經採取了有效的措施，實現了水資源的優化配置。以南水北調工程為例，作為一項重大的戰略性工程，有效緩解了我國北方地區缺水嚴重的現象，不但實現了水資源的優化配置，還對區域經濟的良性發展產生了十分深遠的影響。其二是要合理分配地表水和地下水、一次性水資源和可再生水資源。政府要加強對分配後水資源的管理，通過市場的調節作用提高水資源利用率，避免水資源浪費。

水資源的循環利用

長期以來，我國對水資源的利用採用了粗放式的模式，造成了水資源的大量浪費。以犧牲資源為目的的經濟發展模式雖然能夠在短時期內取得可觀的經濟效益，但從長遠發展來看無疑是慢性自殺，違背了我國可持續發展戰略的要求。在未來的發展中，我國將會在全社會提倡水資源的循環利用，並加快相關技術的研發，通過對廢水進行二次處理、重複利用達到提高水資源利用效率的目的，從而逐步打破水資源匱乏的發展態勢，為我國經濟社會的健康發展解決後顧之憂。

水資源生態防治

從目前的發展情況來看，水污染仍然是威脅我國水資源可持續發展的重要因素，在未來的發展中，水資源生態防治仍然是相關從業者的首要任務。水資源生態防治，不僅包括水污染治理，還包括提高環境用水承載能力、水資源保護、節約用水等多個方面。水資源生態防治是一個系統的工程，不僅需要專業人員的努力，還需要全社會的密切配合。比如，排污量大的工廠要自覺的進行技術改進，最大限度的控制工業用水的排放量。政府要加大監督管理制度，防止污水排放超出環境的承載能力；在全社會大力倡導節約用水，培養民眾節約用水的意識；做好水資源保護，防止人類生產生活用水對水資源造成破壞。

水體的自淨機制有物理淨化、化學淨化和生物淨化三種。水體自淨的三種機制往往同時發生，並相互交織在一起，哪一方面起主導作用取決於污染物性質和水體的水文學和生物學特徵。水體污染惡化過程和水體自淨過程是同時產生和存在的，但在某一水體的部分區域或一定的時間內，這兩種過程總有一種過程是相對主要的，它決定着水體污染的總特徵。所以，當污染物排入清潔水體之後，水體一般會呈現出三個不同水質區：水質惡化區、水質恢復區和水質清潔區。

參考來源

水分子是如何運動的？低溫與高溫也有差別，其中的原理你懂嗎？