水分子

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IUPAC名
氧烷〔Oxidane〕、水〔Water〕
別名 一氧化二氫(Dihydrogen Monoxide)
氫氧化氫(Hydrogen Hydroxide)
氫氧酸(Hydroxic acid)
氧化氫(Hydrogen Oxide)
羥酸(Hydroxylic acid、Hydroxilic acid)
二氫氧化物
μ-氧合二氫
識別
CAS號 7732-18-5
RTECS ZC0110000
性質
化學式 H2O
摩爾質量 18.01524 g·mol⁻¹
外觀 白色或近透明固體,帶淺藍色;清澈液體;無色氣體
密度 1000 kg·m−3(液,4 °C)
917 kg·m−3(固)
熔點 °C, 32 °F (273.15 K)[1]
沸點 100 °C(212 °F,373.15 K)[1]
pKa 15.74
~35-36
pKb 15.74
黏度 0.001 Pa·s,20 °C
結構
晶體結構 六方
參見
分子構型 角形
偶極矩 1.85 D
危險性
主要危害 水中毒溺水(參見一氧化二氫惡作劇
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
0
0
 
相關物質
相關溶劑 丙酮甲醇
相關化學品 水蒸氣
重水雙氧水
若非註明,所有數據均出自一般條件(25 ℃,100 kPa)下。

(化學式:H2O)是地球表面上最多的分子,除了以氣體形式存在於大氣中,其液體固體形式佔據了地面70-75%的組成部分。標準狀況下,水在液體和氣體之間保持動態平衡。室溫下,它是無色,無味,透明的液體。作為通用溶劑之一,水可以溶解許多物質。因此,自然界極少有水的純淨物

水的形態[編輯]

水以多種形態存在,固態的水即我們熟知的,氣態的水即我們所說的水蒸氣(無色,我們看到的白色水氣是水蒸氣冷凝後的液態小水滴),而一般只有液的水才被視為水。在其臨界溫度及壓力(647K及22.064MPa)時,水分子會變為一種「超臨界」狀態,液態般的水滴漂浮於氣態之中。

重水是普通水的氫原子被它更重的同位素所取代而形成的。其化學性質和普通水基本一致,常用在核反應爐中減速中子

在宇宙中[編輯]

銀河系星雲中被探明存在水,由於是構成宇宙的主要元素,科學家認為其他星系中依然存在大量水。

由於星雲塵埃的凝聚,形成各種彗星行星矮行星及其衛星,水也會存在於這些天體上。在太陽系中,水以固體形式存在於以下天體:

目前尚只在地球上發現液態形式的水,科學家也預測說液態水極有可能存在於土衛二的表面。

在地球上[編輯]

水以水循環為載體存在於地球上,包括大氣層土壤含水、河流水、地下水植物含水。

地球上的水含量(全部水)大約是13.6億立方公里。這包括了:

  • 1,320,000,000 km³(97.2%)在海洋中。
  • 25,000,000 km³(1.8%)在冰川冰蓋冰原中。
  • 13,000,000 km³(0.9%)是地下水
  • 250,000 km³(0.02%)是淡水,包括河湖、內陸海。
  • 13,000 km³(0.001%)存在於大氣層中。

物理化學性質[編輯]

純水密度[編輯]

大部分物質固時的密度比液態時要高;因此,一塊固態純「物質」會沉入液態的純「物質」中。但是,一塊普通的卻會在水上浮,這是因為固態水的密度比液態水要「低」。這是水的一項非常重要的特性。在室溫時,液態水在溫度降低時密度會增加,這跟一般物質無異。但在接近冰點的3.98°C 時,水達到其最大密度,而且當水的溫度繼續向冰點下降,在標準狀態下液態水會膨脹,密度並因此會變「低」。這現象的物理原因跟普通晶體結構有關,該結構又被稱為六角形冰Ih。水、都會在凝固時膨脹;其他大部份材料則收縮。但要注意的是,並不是所有種類的冰密度都比液態水低。例如高密度非結晶冰超高密度非結晶冰的密度都比液態純水要高。因此,普通冰密度比水高的理由並不能容易地憑直覺所得,而且它跟氫鍵固有的不尋常特性有很大關係。

總的來說,水在凝固時的膨脹是由於其以氫鍵不尋常的彈性而排成的縱列分子結構,以及能量特別低的六角形晶體形態(也就是標準狀態下所採用的形態)。那就是當水冷卻的時候,它嘗試在晶格形態下成堆,而該晶格會把鍵的旋轉振動分量拉長,所以一個水分子會被鄰近的幾個分子推擠,這實際上就減少了當水在標準狀態下成冰時的水密度ρ

這特性在地球生態系統中的重要性是不言而喻的。例如,「如果」水凝固的時候密度較高的話,極地環境中的湖泊和海洋最後都會結成冰(從上至下)。這是因為此時冰會沉到湖底及河床,而必要的升溫現象(見下文)在夏季時則因暖水層質量比底下的固態冰層低而發生不了。自然界的一個重要特徵就是上述並不會在環境中自然發生。

然而,冷水(在相關生物系統中的一般自然設定下)因氫鍵而在從冰點以上的3.98°C所開始產生的不尋常膨脹,為淡水生物在冬季提供了一重要的好處。在表面上被冷凍的水沉下,形成提供對流的水流並冷卻整個水體,但當湖水到達4°C 時,若繼續冷卻則表面水密度降低,形成一表面層,該層水最後會凝固成冰。由於向下的冷水流被密度的轉變擋住,冬季任何由淡水所成的大水體最冷的水都會在表面附近,離開湖底及河床。這說明了多種不為人知的冰性質,它們跟湖中的冰相關及像二十世紀早期科學家卡夫特(Horatio D. Craft)所描述的「跌出湖的冰」。

以下是水在不同溫度下的密度(克每立方厘米):[2]

溫度(°C) 密度(g/cm³)
30 0.9957
20 0.9982
10 0.9997
3.98 1.0000
0 0.9998
−10 0.9982
−20 0.9935
−30 0.9839

0 °C以下的密度值參看過冷水

鹽水密度[編輯]

水的密度不只取決於水溫,這是因為鹽水的密度與純水不同。冰仍然會在海洋上浮,否則它們會把水底冷凍起來。然而,海洋的鹽份把冰點降低了約2°C並把水最大密度的溫度降至冰點。那就是為何當海水向著冰點冷卻時,裡面的下向冷水流不被膨脹所擋掉的原因。海洋中水溫在冰點附近的冷水繼續下沉。故此,任何試圖在像北冰洋這樣的冷水底下生存的生物,冬季普遍居住水溫比表面結冰的淡水河、湖要再低4 oC。

隨著鹽水表面開始結冰(當處於平均海水的3.5‰鹽度時,冰點為-1.9 oC),所形成的冰實際上不含鹽分,且密度與淡水冰相若。這種冰會浮在水上,且被「凍出來」的鹽分會增加水的鹽度而使得此時海水的密度比正常海水稍高,這個作用被稱為「鹽水棄置」。這密度較高的鹽水會因對流而沉下,而補上的鹹水亦受此作用影響。這作用為表面提供了-1.9 oC淡水冰。成形中的冰下鹹水增加的密度,是它向底下沉的原因。

可壓縮性[編輯]

水的壓縮係數隨壓強和溫度變化。在0℃和0氣壓情況下,水的壓縮係數是5.1×107 bar−1[3] 隨著壓力的增大,壓縮係數不斷減小,在0℃達到3.9×107 bar−1。水的本體模量是2.2×109 Pa[4] 非氣體,尤其是水的低可壓縮性,使人們往往錯誤地認為水不可壓縮。水的低可壓縮性,意味著即便是在1000米深的海底,壓強達到4×107 Pa,水的體積也僅僅減少了1.8%。[4]

三相點[編輯]

固態、液態和氣態水能同時存在的溫度壓力就被稱為水的三相點。這點用於制定溫度單位(開氏度,間接攝氏度,甚至華氏度都是)。約定俗成的三相點溫度為273.16 K (0.01 oC),而壓力則為611.73 Pa。這個壓力是頗低的,約為海平面大氣壓力(101,325 Pa)的1/166。火星這行星上的表面大氣壓力跟三相點壓力非常地相近,故火星的零海拔或「海平面」被規定為大氣壓力跟三相點壓力一致的高度。

姆佩巴效應[編輯]

姆佩巴效應,亦稱姆潘巴現象,是指熱水在一定條件下比冷水更快結冰的奇怪現象。但仍可以用蒸發對流過冷熱絕緣來解釋。

熱冰[編輯]

熱冰是水的另一個驚人現象,即水在室溫下,加以106伏特的電場,也能變成冰。[5]

這個現象被用來解釋雲的形成,雲層里的冰晶初次形成時需要−10 °C的低溫,而後來再次結冰只需要−5 °C,這意味著晶體的結構發生了改變。[6]

表面張力[編輯]

水的表面張力

由於水具有所有非金屬液體中最大的表面張力值72.8 mN/m,使水滴保持相對穩定。當少量水滴滴在玻璃板上,即可觀察到水的表面張力:水滴繼續保持液滴狀態。另一個常見的例子是,向一杯注滿水的玻璃杯中緩緩投放硬幣,水不會立刻溢出,而是向上凸起。水的這一特性對生物來說非常重要。例如,植物吸水時,水通過莖里的木質部向上運輸。強大的分子間作用力維持維管束中水的柱狀形態,粘接性使水柱聚集,粘性是水緊貼維管束壁,而張力則能防止葉面蒸騰作用導致水柱斷裂。其他低張力的液體則會導致液柱裂開,形成真空,使蒸騰作用失效。

導電性質[編輯]

不包含任何離子的水是優良的絕緣體,可即使是去離子水也不是完全沒有離子的。水在絕對零度以上的任何溫度下都會發生自偶電離。由於水是優良的溶劑,所以其中總會含有微量的溶質,多數情況下為無機鹽。即使很少量的雜質也會使水導電,因為溶於水中的鹽會電離為自由離子

水可由通電而分解為氫氣氧氣兩種物質,此過程被稱為電解。此時水分子電離出的H+及OH離子,分別被拉向陰極陽極。兩個H+在陰極獲得兩電子形成氣體H2,而四個OH則於陽極結合並釋放出氧氣、分子水及四個電子。氣體生成氣泡升上水面,可被收集。已知水電阻率的最大理論值於25 o時約為182 ·m2/m(18.2 MΩ·cm2/cm)。此數字與超純水系統逆滲透時觀測到的相當一致,該系統的水經超過濾及去電離處理,半導體製造廠等會用到。鹽或酸等污染物水平即使超過一萬億分之一(ppt),都會使電阻率水平大幅下降達好幾個kΩ·m2/m(相等於電導上升幾百nS/m)。

水的偶極性[編輯]

水的一項重要特性就是它的極性。水分子呈角狀,當中氫原子位於末端而氧原子則在頂點。由於氧的電負性比氫高,所以分子中有氧原子的一邊電荷會偏負。帶這樣一個電荷差的分子被稱為偶極子。電荷差使得水分子互相吸引(偏正電的區域會被偏負電的區域吸引),同時亦使它們和其他極性分子互相吸引。這種吸引力被稱為氫鍵,它解釋了許多水的特性。某些分子,如二氧化碳,原子間負電性亦有差異,但不同之處在於二氧化碳分子形狀成對稱排列,因此對立電荷會被相互抵消。如果將電源靠近小水柱時亦可觀察到水的此一現象,這現象會使水向電源方向彎曲。

儘管氫鍵是一種相對較弱的引力(跟連接水分子內原子的共價鍵比較時),但是它造就了水的多個特性。其中一個特性就是水相對較高的熔點沸點溫度,因為需要更多 能才能夠克服分子間的氫鍵。相近的化合物硫化氫(H2S)的氫鍵較水的弱,即使它的質量是水的兩倍,在室溫下還是氣體。水分子間額外的鍵為液態水帶來了高比熱容。這種高比熱容使水成為一種較佳的熱量儲存媒介。

氫鍵也為水帶來了結冰時不尋常的表現。當被冷凍至冰點附近時,由於它們能透過重組來使能量最小化的關係,所以氫鍵的存在意味著分子可以形成帶六角形晶體結構的冰,這種冰的密度實際上較低:因此於固態時(冰)會浮水上。亦即是說,水結冰時會膨脹,而差不多其他全部物質凝固時都會沉下。

在足夠壓力下,固體密度比液體低會帶來一個有趣的效果。當壓力增加時熔點下降,而當熔點溫度比周圍環境低時冰會熔化。要使熔點大幅度下降需要增加相當大的壓力——溜冰者所施加的壓力只會把熔點下調約0.09 oC。

水作為溶劑[編輯]

由於水的極性,水是一種良好溶劑。當離子極性化合物進入水中,就會被水分子立刻包圍。水的相對分子質量使一個溶質分子可以被多個水分子包圍。偶極中偏負電的部分受溶質中的正電部份吸引,而偶極中的正電部分則反之亦然。

一般來說,離子分子和極性分子諸如酸,酒精,和鹽類比較容易溶解在水中,而非極性分子如脂類,油,等有機物在水中由於凡得瓦力作用而聚集。

一個離子化合物溶質的典型例子是食鹽(NaCl),它會在水中分離為Na+陽離子和Cl陰離子,每個被水分子包圍的離子會從晶格上移走,進入溶液。一個非離子溶質的例子是蔗糖,水中的氫離子與蔗糖的-OH基結合,從而將蔗糖分子帶入溶液。

水的兩性[編輯]

在化學上,水是一種兩性物質,即水可以同時充當,有時候水也被成為「氫氧酸」就是這個原因。當水的pH值為7(中性)時,氫氧根離子(OH)濃度等於水合氫離子(H3O+)濃度。當化學平衡被破壞時,兩種離子的比例發生變化,而表現出酸性或鹼性。

根據布朗斯特-勞里酸鹼理論(Brønsted-Lowry)系統,酸被解釋為一種在反應中失去質子(一個 H+離子)的物質,而鹼則是在反應中得到質子的物質。所以在反應中遇到強酸,水就充當鹼,相反,遇到強鹼,水就充當酸。例如,在平衡狀態中,水從HCl得到H+離子,充當鹼:

HCl + H2O H3O+ + Cl

在和氨水的反應中,H2O 失去H+離子,水充當酸:

NH3 + H2O NH4+ + OH

水的酸性[編輯]

理論上,在298 K溫度下的水的pH值為7。而事實上,純水的製備是非常困難的。暴露在空氣中的水會迅速的吸收二氧化碳,生成低濃度的碳酸(pH極限值為5.7)。雲滴形成以及雨滴掉落的過程中,水也會吸收空氣中CO2,因此大部分水都是弱酸性的。如果空氣中氮氧化物和硫氧化物含量過高,就會導致酸雨

水分子的孤對電子[編輯]

水分子上還有未成鍵的孤對電子,能與放出的氫離子結合生成水合氫離子,所以水也是一種路易斯鹼

H2O+H+→H3O+

水的氫鍵結合[編輯]

一個水分子最多能形成四條氫鍵,因為它能夠在接受兩個電子的同時也可以提供兩個電子。其他分子,如氟化氫甲醇,都能形成氫鍵,但它們的熱力學、動能及結構方面都沒有像水那樣的異常表現。水跟其他氫鍵液體的顯然不同之處在於,水是惟一能形成四條氫鍵的分子,其他分子不能這樣做的原因有二:一是由於它們不能再提供或接受氫,二是由於這樣做會形成引起立體效應的殘餘物。由水的四條氫鍵所形成的正四面體序列,產生了開放結構以及三維結合網路,跟簡單液體內部的緊密結構截然不同。儘管水是有氫鍵結合網路的液體,而二氧化矽則有高熔點的電價網路,但兩者的異常表現仍有相近之處。水適用於生命體,而且被牠們採用,原因在於它在各生物程序適應的一系列溫度狀況下展示出獨有的性質,包括水合作用

一般被認為水的氫鍵主要是由靜電力及一些電價性所導致的。氫鍵的類電價性質由萊納斯·鮑林於1930年代預測,至今仍待實驗及理論計算的明確證明。

水分子的量子特性[編輯]

儘管水的分子式一般被認為是分子熱力學的穩定結果,但於1995年開始的近期研究指出在水的亞原子量子水平時,水表現得較像H3/2O,而不是H2O。[7] 此結果可能對生物化學物理系統裏的氫鍵等水平上產生重要的分支課題。實驗指出當中子質子與水碰撞時,它們的散射方式表明它們只受1.5:1的氫氧比率所影響。然而,能觀測到這反應的時間段需以微微微秒(10−18 s)來量度,故此只與被高度分解的運動動力系統有關係。[8][9]

水於生物學上的重要性[編輯]

水在生物學中的重要性主要是因為生物在維持生理機能時需要仰賴水的物理及化學性質[10]。比如,植物在運送水分時,是利用水的氫鍵互相牽引所形成如水鏈狀結構,在植物專門運送水分的導管中形成氫鍵使水分子不會受到引力作用而掉落至導管管壁,再利用蒸散作用帶動水分向上運輸。在植物水分的運輸過程中充分的解釋了水的運輸牽涉於水的物理性質。另外在生物體中,水是一種緩衝的溶液,利用解離出的氫氧基(OH-)以及質子(H+)可以將外來少量的強酸或強鹼中和,如此可確保細胞中的蛋白質結構的完整性,而對酵素而言,在酵素的結構上需要維持一定的結構才具有活性。而經由上述案例可說明在生物體內需要利用水的化學及物理性質才可維持生物體結構(細胞型狀)及機能(如酵素活性)上的穩定。

歷史[編輯]

在歷史上,人們曾利用水的性質來定義溫度的標度。值得注意的是,熱力學溫標攝氏溫標華氏溫標都是,或曾經是用水的熔沸點來定義的。其他不常用的溫標,例如Delisle溫標牛頓溫標列氏溫標羅默溫標,也是用相似的方法定義的。在現代,人們更普遍使用水的三相點作為一個標準點。[11]

1800年,英國化學家威廉·尼科爾森第一次使用電解的方法將水分解成為氫氣和氧氣。1805年,約瑟夫·路易·蓋-呂薩克亞歷山大·馮·洪堡展示了水是由兩體積的氫和一體積的氧組成。

1933年,吉爾伯特·牛頓·劉易斯分離出來第一份純的重水

聚合水是一個水的聚合物的假設,在1960年代晚期是科學界的爭論話題之一。現在多數人認為聚合水並不存在。

系統命名法[編輯]

水(Water)和氧烷(oxidane)是被國際純粹與應用化學聯合會承認的正式名稱。另外氧化氫這個名稱也用來描述這個分子。

對水來說,最簡潔的系統命名是「氧化氫」。這個命名與對相關化合物命名相似,如過氧化氫硫化氫氧化氘重水)。另外一個系統名稱是氧烷(oxidane),它被用來作為對基於氧的相關取代基系統命名時的母體。[12] 但事實上,這些取代基常常有其他的推薦名稱,例如,羥基(hydroxyl)被推薦來描述-OH集團,而不是「oxidanyl」。IUPAC也認為不應該使用oxane來描述這個分子,因為它已經被用來描述一個環醚,也被叫做四氫呋喃。相似的化合物還包括二噁烷三氧雜環己烷(trioxane)。

系統命名法惡作劇[編輯]

水分子的化學名稱可以稱為「一氧化二氫」〔Dihydrogen Monoxide〕,或者簡稱「DHMO」[13]。相對了習慣用法,這種過於書面化的命名給一些企圖惡搞的人帶來可乘之機,特別是在對化學研究的惡作劇中,常常有人呼籲禁止此種「致死性」化學品。現實中,若使用系統命名法,水一般被叫做氧化氫,因為「一」和「二」在此處是多餘的。正如我們並不會將硫化氫H2S)說成是一硫化二氫,也不會把過氧化氫(H2O2)說成是二氧化二氫。

在一些過度細心的物質安全資料表(MSDS)上,對水會列出:注意:可能會導致溺死。

對酸的系統命名法中水的名稱是氫氧酸(hydroxic acid或hydroxilic acid)。同樣的,對鹼的系統命名法中水又被稱為氫氧化氫(hydrogen hydroxide)。之所以會存在酸性和鹼性兩種名稱,是因為水在反應中,根據與之反應的酸或鹼的強度,它既可以作為酸又可以作為鹼(兩性)。然而,這些名字都沒有被廣泛應用。

參考來源[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 維也納標準平均海水(VSMOW)的熔點在273.1500089(10) K(0.000089(10) °C,沸點在373.1339 K(99.9839 °C)
  2. ^ Lide, D. R. (Ed.) (1990). CRC Handbook of Chemistry and Physics (70th Edn.). Boca Raton (FL):CRC Press.
  3. ^ Fine, R.A. and Millero, F.J. Compressibility of water as a function of temperature and pressure. Journal of Chemical Physics. 1973, 59 (10): 5529. doi:10.1063/1.1679903. 
  4. ^ 4.0 4.1 Elasticity, Elastic Properties. Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. [2013-11-02]. 
  5. ^ Choi 2005. Adsabs.harvard.edu. [2013-11-02]. 
  6. ^ Connolly, P.J, et al, 2005[失效連結]
  7. ^ Physics News Update. Aip.org. [2013-11-02]. 
  8. ^ Phys. Rev. Lett. 79, 2839 (1997): Anomalous Deep Inelastic Neutron Scattering from Liquid H_{2}O-D_{2}O: Evidence of Nuclear Quantum Entanglement. Prola.aps.org. [2013-11-02]. 
  9. ^ [1][失效連結]
  10. ^ 水與生物的重要性
  11. ^ http://web.archive.org/20040113141049/home.comcast.net/~igpl/Temperature.html
  12. ^ Leigh, G. J. et al. 1998. Principles of chemical nomenclature: a guide to IUPAC recommendations, p. 99. Blackwell Science Ltd, UK. ISBN 0-86542-685-6
  13. ^ Leigh, G. J. et al., Principles of chemical nomenclature: a guide to IUPAC recommendations, Blackwell Science Ltd, UK. 1998:  27–28, ISBN 0-86542-685-6 

參見[編輯]

外部連結[編輯]