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中文学名:水

外文名称:Water.

别称:氧烷、氧化氢(系统命名法)、氢氧酸、氢氧化氢

分子量:18.01524

熔 点:0℃(P0=101.325kPa)

化学式:H₂O

沸 点:99.975℃(P0=101.325kPa)(民间习惯称100℃)

密 度:1g/cm³,10^3kg/m³(t=4℃)

水(H₂O)是由氢、氧两种元素组成的无机物,在常温常压下为无色无味的透明液体。水是最常见的物质之一,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。人类很早就开始对水产生了认识,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,水是中国古代五行之一;西方古代的四元素说中也有水。

地球上水的起源在学术界上存在很大的分歧,目前有几十种不同的水形成学说。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。

另外的一部分科学家认为,原始地壳中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,被地球吸引的彗星和陨石是地球上水的主要来源,甚至地球上的水还在不停增加。

当我们打开世界地图时,当我们面对地球仪时,呈现在我们面前的大部分面积都是鲜艳的蓝色。从太空中看地球,我们居住的地球是一个椭圆形的,极为秀丽的蔚蓝色球体。水是地球表面数量最多的天然物质,它覆盖了地球71%以上的表面。地球是一个名副其实的大水球。

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。

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,包括天然水(河流、湖泊、大气水、海水、地下水等),人工制水(通过化学反应使氢氧原子结合得到水)。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作用。它是一种可再生资源。

性质

物理

通常是无色、无味的液体。

沸点:100℃(海拔为0m,气压为一个标准大气压时)。水

凝固点:0℃

三相点:0.01℃

最大相对密度时的温度:3.98℃

比热容:4.186kJ/(kg·℃) 0.1MPa 15℃

2.051J/(g·℃) 0.1MPa 100℃

密度:1.0×10³ kg/m³(4℃时)。冰的密度比水小

临界温度:374.2℃

浮力分类:悬浮、漂浮、沉底、上浮、下沉。

水密度的变化

水(20张)水的密度在3.98℃时最大,为1.0×10³kg/m³,温度高于3.98℃时(也可以忽略为4℃),水的密度随温度升高而减小 ,在0~3.98℃时,水热缩冷涨,密度随温度的升高而增加。

原因:主要由分子排列决定。也可以说由氢键导致。由于水分子有很强的极性,能通过氢键结合成缔合分子。液态水,除含有简单的水分子(H₂O)外,同时还含有缔合分子(H₂O)2和(H₂O)3等,当温度在0℃水未结冰时,大多数水分子是以(H₂O)3的缔合分子存在,当温度升高到3.98℃(101kPa)时水分子多以(H₂O)2缔合分子形式存在,分子占据空间相对减小,此时水的密度最大。

如果温度再继续升高在3.98℃以上,一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了。水温降到0℃时,水结成冰,水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子,在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻两个氢键这种排布导致成是种敞开结构,冰的结构中有较大的空隙,所以冰的密度反比同温度的水小。

化学

震撼联合国的水结晶实验

化学式:H₂O

结构式:H—O—H(两氢氧键间夹角104.5°)。

相对分子质量: 18.016

化学实验:水的电解。方程式:2H₂O=通电=2H₂↑+O₂↑(分解反应)

分子构成:氢原子氧原子

CAS号: 7732-18-5

水具有以下化学性质:

1.稳定性:在2000℃以上才开始分解。

水的电离:纯水中存在下列电离平衡:H₂O==可逆==H⁺+OH⁻ 或 H₂O+H₂O=可逆=H₃O⁺+OH⁻。

注:“H₃O⁺”为水合氢离子,为了简便,常常简写成H⁺,更准确的说法为H9O4⁺,纯水中氢离子物质的量浓度为10⁻⁷mol/L。

2.水的氧化性:水跟较活泼金属或碳反应时,表现氧化性,氢被还原成氢气2Na+2H₂O=2NaOH+H₂↑ 。

Mg+2H₂O=Mg(OH)₂+H₂↑ 。

3Fe+4H₂O(水蒸气)=Fe₃O₄+4H₂↑ (加热)

C+H₂O=CO+H₂(高温)。电解水实验装置(2张)

3.水的电解:

 

水在直流电作用下,分解生成氢气和氧气,工业上用此法制纯氢和纯氧 2H₂O=2H₂↑+O₂↑。

4.水化反应:

水可跟活泼金属的碱性氧化物、大多数酸性氧化物以及某些不饱和烃发生水化反应。

Na₂O+H₂O=2NaOH

CaO+H₂O=Ca(OH)₂

SO₃+H₂O=H₂SO₄

P₂O₅+3H₂O=2H₃PO₄分子结构

CH₂=CH₂+H₂O←→C₂H₅OH

5.水解反应

盐的水解氮化物水解:Mg₃N₂+6H₂O(加热)=3Mg(OH)₂↓+2NH₃↑

NaAlO₂+HCI+H₂O=Al(OH)₃↓+NaCI(NaCI少量)

碳化钙水解: CaC₂(电石)+2H₂O(饱和氯化钠)=Ca(OH)₂+C₂H₂↑

卤代烃水解: C₂H₅Br+H₂O(加热下的氢氧化钠溶液)←→C₂H₅OH+HBr

醇钠水解: 右侧视频

从地球的最南端到最北端,水是生命的源泉

C₂H₅ONa+H₂O→C₂H₅OH+NaOH

酯类水解:

CH₃COOC₂H₅+H₂O(铜或银并且加热)←→CH₃COOH+C₂H₅OH

多糖水解:(C₆H₁₀O₅)n+nH₂O←→nC₆H₁₂O₆

6.水分子的直径数量级为10的负十次方,一般认为水的直径为2~3个此单位。水

7.水的电离:

在水中,几乎没有水分子电离生成离子。

H₂O←→H⁺+OH⁻

由于仅有一小部分的水分子发生上述反应,所以纯水的Ph值十分接近7。

8.水是两性物质,既有氢离子(H⁺),也有氢氧根离子(OH⁻)。但纯净蒸馏水是中性的。

9.水的硬度:

水的硬度最初是指钙、镁离子沉淀肥皂的能力。水的总硬度指水中钙、镁离子的总浓度,其中包括碳酸盐硬度 (即通过加热能以碳酸盐形式沉淀下来的钙、镁离子,故又叫暂时硬度)和非碳酸盐硬度(即加热后不能沉淀下来的那部分钙、镁离子,又称永久硬度)。硬水和软水的区别,就是水中含有钙、镁化合物的多少程度。

水中有些金属阳离子,同一些阴离子结合在一起,在水被加热的过程中,由于蒸发浓缩,容易形成水垢,附着在受热面上而影响热传导,我们将水中这些金属离子的总浓度称为水的硬度。

如在天然水中最常见的金属离子是钙离子(Ca2⁺)和镁离子(Mg2+),它与水中的阴离子如碳酸根离子(CO32-)、碳酸氢根离子(HCO3-)、硫酸根离子(SO42-)、氯离子(Cl-)、以及硝酸根离子(NO3-)等结合在一起,形成钙镁的碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、氯化物、以及硝酸盐等硬度。水中的铁、锰、钭等金属离子也会形成硬度,但由于它们在天然水中的含量很少,可以略去不计。因此,通常就把Ca2+、Mg2+的总浓度看作水的硬度。水的硬度对锅炉用水的影响很大,因此,应根据各种不同参数的锅炉对水质的要求对水进行软化或除盐处理。

水的硬度分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度两种。

碳酸盐硬度:主要是由钙、镁的碳酸氢盐[Ca(HCO₃)₂、Mg(HCO₃)₂]所形成的硬度,还有少量的碳酸盐硬度。碳酸氢盐硬度经加热之后分解成沉淀物从水中除去,故亦称为暂时硬度。 非碳酸盐硬度:主要是由钙镁的硫酸盐、氯化物和硝酸盐等盐类所形成的硬度。这类硬度不能用加热分解的方法除去,故也称为永久硬度,如CaSO₄、MgSO₄、CaCl₂、MgCl₂、Ca(NO₃)₂、Mg(NO₃)₂等。

碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度之和称为总硬度;水中Ca2+的含量称为钙硬度;水中Mg2+的含量称为镁硬度;当水的总硬度小于总碱度时,它们之差,称为负硬度。

生活中可用肥皂水鉴别软硬水,将肥皂水加入被测水后震荡,泡沫多浮渣少的是软水,反之比较硬。

用途

1.人类的生命之源[1]

在地球上,哪里有水,哪里就有生命。一切生命活动都是起源于水的。人体内的水分,大约占到体重的65%。其中,脑髓含水75%,血液含水83%,肌肉含水76%,连坚硬的骨骼里也含水22%呢!没有水,食物中的养料不能被吸收,废物不能排出体外,药物不能到达起作用的部位。人体一旦缺水,后果是很严重的。缺水1%-2%,感到渴;缺水5%,口干舌燥,皮肤起皱,意识不清,甚至幻视;缺水15%心跳急促 失忆,意识就快消失。缺水20%晕倒,像死一样。往往甚于饥饿。没有食物,人只可以活3周,如果连水也没有,顶多能活3天。

2.植物的生命源泉

 

用手抓一把植物,你会感到湿漉漉的,凉丝丝的,这是水的缘故。植物含有大量的水,约占体重的80%,蔬菜含水90%-95%,水生植物竟含水98%以上。水替植物输送养分;水使植物枝叶保持婀娜多姿的形态;水参加光合作用,制造有机物;水的蒸发,使植物保持稳定的温度不致被太阳灼伤。植物不仅满身是水,作物一生都在消耗水。1公斤玉米,是用368公斤水浇灌出来的;同样的,小麦是513公斤水,棉花是648公斤水,水稻竟高达1000公斤水。一籽下地,万粒归仓,农业的大丰收,水立下了不小的功劳呢!

3.工业的血液

水,参加了工矿企业生产的一系列重要环节,在制造、加工、冷却、净化、空调、洗涤等方面发挥着重要的作用,被誉为工业的血液。例如,在钢铁厂,靠水降温保证生产;钢锭轧制成钢材,要用水冷却;高炉转炉的部分烟尘要靠水来收集;锅炉里更是离不了水,制造1吨钢,大约需用25吨水。水在造纸厂是纸浆原料的疏解剂、解释剂、洗涤运输介质和药物的溶剂,制造1吨纸需用450吨水。火力发电厂冷却用水量十分巨大,同时,也消耗部分水。食品厂的和面、蒸馏、煮沸、腌制、发酵都离不了水,酱油汽水啤酒等,其实就是水的化身。[2]

4.制备纯水

方法主要有蒸馏法和离子交换法。

将自来水直接蒸馏可获得一般实验所需的蒸馏水。对于重要的物理化学和分析化学实验,通常采用二次或三次蒸馏水,这种蒸馏最好在石英装置中进行,所得的纯水应收集在耐高温玻璃、石英或聚乙烯瓶中。

为了除去水中的有机杂质和NH+4与Cl-,最好在每升被提纯的水中加入0.05g KMnO4,半小时后加入0.5~1g钾明矾,再过半小时后加入0.66g Na2HPO4,静置半小时后过滤,滤液煮沸10min后再加入蒸馏瓶中进行蒸馏,除去馏出物开头和最后的馏份(各10%)。

离子交换法是制备高纯度水的更好方法。离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂,两种树脂在装柱前分别进行预处理。阳离子交换树脂先用自来水反复漂洗除去其中的色素、水溶性杂质及其他夹杂物,直至水清无泡沫,并用纯水浸泡4h。然后用5%的盐酸溶液浸泡树脂(以没过树脂为宜)4h,适当搅拌,将盐酸排尽后以纯水反复洗至近中性为止。阴离子交换树脂同样用水反复漂洗直至水清无泡沫,并用纯水浸泡4h。再用5%氢氧化钠溶液浸泡4h,适当搅拌,然后将氢氧化钠溶液排尽,以纯水反复洗至近中性为止。处理好的树脂装入准备好的有机玻璃交换柱中,交换流程按阳离子交换柱阴离子交换柱混合树脂交换柱(阳、阴离子交换树脂充分混匀)的顺序设定。控制一定流速向交换柱中通入蒸馏水(或自来水),从混合树脂交换柱中流出纯水,当水质达到要求后即可使用。

分类

按分子量

  • 重水

重水(heavy water)(氧化氘)是由氘和氧组成的化合物。分子式D₂O,分子量20.0275,比普通水(H₂O)的分子量18.0153高出约11%,因此叫做重水。在天然水中,重水的含量约占0.015%。由于氘与氢的性质差别极小,因此重水和普通水也很相似。重水的离子积常数为1.6*10-15。

  • 轻水

为了与重水区别,将普通水称为轻水。动力堆中的慢化剂,大多是轻水、重水和石墨;它们的冷却剂,则多是轻水、重水和氦等气体。唯有轻水是目前各种反应堆中用得最广的慢化剂和冷却剂。

普通水(H2O)经过净化,用做反应堆的冷却剂和中子的慢化剂,叫做轻水。

轻水为相对分子质量为1的H原子和相对分子质量为16的O原子构成的水。其相对分子质量为18。另外,还有相对分子质量为20,22等的水。在中学化学阶段,相对分子质量为18的水称为轻水。

按日常生活

1、地下水与地表水

地下水——有机物和微生物污染较少,而离子则溶解较多,通常硬度较高,蒸馏烧水时易结水垢;有时锰氟离子超标,不能满足生产生活用水需求。

地表水——较地下水有机物和微生物污染较多,如果该地属石灰岩地区,其地表水往往也有较大的硬度,如四川的德阳、绵阳、广元、阿坝等地区。

2、硬水与软水

硬水——水中钙镁等金属离子的总浓度称为硬度,硬水对锅炉等生产用水影响很大,应对其进行软化、脱盐处理。硬度大于200mg/L的通常就称之为硬水。

软水——即硬度较小的水。

3、原水与净水

原水——通常是指水处理设备的进水,如常用的城市自来水、城郊地下水、野外地表水等,常以TDS值(水中溶解性总固体含量)检测其水质,中国城市自来水TDS值通常为100~400ppm。

净水——原水经过水处理设施处理后即称之为净水。

4、纯净水与蒸馏水

纯净水——原水经过反渗透和杀菌装置等成套水处理设施后,除去了原水中绝大部分无机盐离子、微生物和有机物杂质,可以直接生饮的纯水。

蒸馏水——以蒸馏方式制备的纯水,通常不用于饮用。

5、纯水和超纯水

纯水——以反渗透、蒸馏、离子交换等方法制备的去离子水,其TDS值通常<5PPm,电导率通常<10μs/cm(电阻值>0.1MΩ.cm)。[3]

超纯水——以离子交换、蒸馏、电除盐等方法将纯水进一步提纯去离子即得,其TDS值不可测,电导率通常<0.1μs/cm(电阻值>10MΩ.cm),其离子几乎完全去除。理论上最纯水电阻值为18.25 MΩ.cm。

6、纯化水和注射用水

 

纯化水——医药行业用纯水,电导率要求<2μs/cm。

注射用水——纯化水经多效蒸馏、[4]

超滤法再次提纯去除热原后可以配制注射剂的水。

按照用途区别

1.地表水:质量标准中Ⅰ类主要适用于源头水、国家自然保护区;Ⅱ类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等;Ⅲ类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区;Ⅳ类主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区;Ⅴ类主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。

2.地下水:质量标准中Ⅰ类主要反映地下水化学组分的天然低背景含量。适用于各种用途。Ⅱ类主要反映地下水化学组分的天然背景含量。适用于各种用途。Ⅲ类以人体健康基准值为依据。主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水。Ⅳ类以农业和工业用水要求为依据。除适用于农业和部分工业用水外,适当处理后可作生活饮用水。Ⅴ类不宜饮用,其他用水可根据使用目的选用。

3.海水:质量标准中第一类适用于海洋渔业水域,海上自然保护区和珍稀濒危海洋生物保护区。第二类适用于水产养殖区,海水浴场,人体直接接触海水的海上运动或娱乐区,以及与人类食用直接有关的工业用水区。第三类适用于一般工业用水区,滨海风景旅游区。第四类适用于海洋港口水域,海洋开发作业区。

4.生活饮用水:供人生活的饮用和生活用水[5]

5.电子超纯水:用于电子元件及集成电路

影响

对气候

水对气候具有调节作用。大气中的水汽能阻挡地球辐射量的60%,保护地球不致于被冷却。海洋和陆地水体在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。

海洋和地表中的水蒸发到天空中形成了云,云中的水通过降水落下来变成雨,冬天则变成雪。落于地表上的水渗入地下形成地下水;地下水又从地层里冒出来,形成泉水,经过小溪、江河汇入大海。

形成一个水循环。

雨雪等降水活动对气候形成重要的影响。在温带季风性气候中,夏季风带来了丰富的水气,夏秋多雨,冬春少雨,形成明显的干湿两季。

此外,在自然界中,由于不同的气候条件,水还会以冰雹、雾、露水、霜等形态出现并影响气候和人类的活动。

对地理

在地球表面有71%被水资源覆盖,从空中来看,地球就是个蓝色的星球。水侵蚀岩石土壤,冲淤河道,搬运泥沙,营造平原,改变地表形态。

地球表层水体构成了水圈,包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、积、地下水和大气中的水。由于注入海洋的水带有一定的分,加上常年的积累和蒸发作用,海水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,比如:死海。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。海洋占了1,320,000,000立方公里(97.2%);冰川和冰盖占了25,000,000立方公里(1.8%);地下水占了13,000,000立方公里(0.9%);湖泊、内陆海,和河里的淡水占了250,000 立方公里(0.02%);大气中的水蒸气在任何已知的时候都占了13,000立方公里(0.001%)。

雨水的药用功能

雨水,又名无根水,中医认为其性轻清,味甘淡,诸水之上也。夏日尤佳。饮之可以去病。(刚下的雨水中含有大量尘埃,特别在现代化的和工业污染严重的城市,成分相当复杂,甚至可能含有致病微生物。但在未受污染的地方,干净的雨水功能依旧)

  • 对人体

水对于人来说,水是仅次于氧气的重要物质。在成人体内,60%的质量是水。儿童体内水的比重更大,可达近80%。如果一个人不吃饭,仅依靠自己体内贮存的营养物质或消耗自体组织,可以活上一个月。但是如果不喝水,连一周时间也很难度过。体内失水10%就威胁健康,如失水20%,就有生命危险,足可见水对生命的重要意义。[6]

水还有治疗常见病的效果,比如:清晨一杯凉白开水可治疗色斑;餐后半小时喝一些水,可以用来减肥;热水的按摩作用是强效的安神剂,可以缓解失眠;大口大口地喝水可以缓解便秘;睡前一杯水对心脏有好处;恶心的时候可以用盐水催吐。

 

1.溶解消化功能

水是体内一切生理过程中生物化学变化必不可少的介质。水具有很强的溶解能力和电离能力(水分子极性大),可使水溶性物质以溶解状态和电解质离子状态存在,甚至一些脂肪和蛋白质也能在适当条件下溶解于水中,构成乳浊液或胶体溶液。溶解或分散于水中的物质有利于体内化学反应的有效进行。

食物进入空腔和胃肠后,依靠消化器官分泌出的消化液,如唾液、胃液、胰液、肠液、胆汁等,才能进行食物消化和吸收。在这些消化液中水的含量高达90%以上。

2.参与代谢功能

在新陈代谢过程中,人体内物质交换和化学反应都是在水中进行的。水不仅是体内生化反应的介质,而且水本身也参与体内氧化、还原、合成、分解等化学反应。水是各种化学物质在体内正常代谢的保证。

如果人体长期缺水,代谢功能就会异常,会使代谢减缓从而堆积过多的能量和脂肪,使人肥胖。

3.载体运输功能

由于水的溶解性好,流动性强,又包含于体内各个组织器官,水充当了体内各种营养物质的载体。在营养物质的运输和吸收、气体的运输和交换、代谢产物的运输与排泄中,水都是起着极其重要的作用。比如,运送氧气、维生素、葡萄糖、氨基酸、、激素到全身;把尿素、尿酸等代谢废物运往肾脏,随尿液排出体外。

4.调节抑制功能

水的比热高,对机体有调节体温的作用。

防止中暑最好的办法就是多喝水。这是因为认为摄入的三大产能营养素在水的参与下,利用氧气进行氧化代谢,释放能量,再通过水的蒸发可散发大量能量,避免体温升高。当人体缺水时,多余的能量就难以及时散出,从而引发中暑。

此外,水还能够改善体液组织的循环,调节肌肉张力,并维持机体的渗透压和酸碱平衡。

5.润滑滋润功能

在缺水的情况下做运动是有风险的。因为组织器官缺少了水的润滑,很容易造成磨损。因此,运动前的1个小时最好要先喝充足的水。

体内关节、韧带、肌肉、膜等处的活动,都由水作为润滑剂。水的黏度小,可使体内摩擦部位润滑,减少体内脏器的摩擦,防止损伤,并可使器官运动灵活。

同时水还有滋润功能,使身体细胞经常处于湿润状态,保持肌肤丰满柔软。定时定量补水,会让皮肤特别水润、饱满、有弹性。可以说,水是美肤的佳品。

6.稀释和排毒功能

不爱喝水的人往往容易长痘痘,这是因为人体排毒必须有水的参与。没有足够的水,毒素就难以有效排出,淤积在体内,就容易引发痘痘。

其实,水不仅有很好的溶解能力,而且有重要的稀释功能,肾脏排泄水的同时可将体内代谢废物、毒物及食入的多余药物等一并排出,减少肠道对毒素的吸收,防止有害物质在体内慢性蓄积而引发中毒。因此,服药时应喝足够的水,以利于有效地消除药品带来的副作用。

人体必须的七大营养素

蛋白质 脂肪 维生素 糖类
矿物质 膳食纤维

视频

水的净化实验

水电解实验视频

参考资料