水
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| 水 | |||
|---|---|---|---|
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| IUPAC名 氧烷 (oxidane)[1], 水 (water) | |||
| 別名 | 一氧化二氫 (dihydrogen monoxide, DHMO) | ||
| 識別 | |||
| CAS號 | 7732-18-5 
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| PubChem | 962 | ||
| ChemSpider | 937 | ||
| SMILES |
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| Beilstein | 3587155 | ||
| Gmelin | 117 | ||
| ChEBI | 15377 | ||
| RTECS | ZC0110000 | ||
| 性質 | |||
| 化學式 | H2O 或 HOH | ||
| 摩爾質量 | 18.01524 g·mol⁻¹ | ||
| 外觀 | 近無色微藍透明晶體，液體或無色氣體[2] | ||
| 密度 | 1000 kg·m−3 (液,4 °C) 917 kg·m−3 (固) | ||
| 熔點 | 0 °C, 32 °F (273.15 K)[3] | ||
| 沸點 | 100 °C, 212 °F (373.15 K)[3] | ||
| pKa | 15.74 ~35-36 | ||
| pKb | 15.74 | ||
| 黏度 | 0.001 Pa·s, 20 °C | ||
| 結構 | |||
| 晶體結構 | 六方 參見冰 | ||
| 分子構型 | 角形 | ||
| 偶極矩 | 1.85 D | ||
| 危險性 | |||
| 主要危害 | 水中毒 | ||
| NFPA 704 |
 0
0
0
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| 相關物質 | |||
| 相關溶劑 | 丙酮、甲醇 | ||
| 相關化學品 | 重水、超重水、過氧化氫 | ||
| 附加數據頁 | |||
| 結構和屬性 | 折射率、介電係數等 | ||
| 熱力學數據 | 相變數據、固、液、氣性質 | ||
| 光譜數據 | UV-Vis、IR、NMR、MS等 | ||
| 若非註明，所有數據均出自一般條件（25 ℃，100 kPa）下。 | |||
水（化學式：H2O）是由氫、氧兩種元素經過化學反應後組成的無機物，在常溫常壓下為無色無味的透明液體。水是地球上最常見的物質之一，是包括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。水在生命演化中起到了重要的作用。人體內有百分之七十是水。水在科學、哲學、宗教、文學、美術、體育、神話等中都有所體現。
種類[編輯]
不同的學科對水有著一些不同的稱呼：
- 根據水質的不同，可以分為：
此外還有：
- 生物水：在各種生命體系中存在的不同狀態的水
- 天然水：天然水構成自然界地球表面各種形態的水相的總稱。包括江河、海洋、冰川、湖泊、沼澤等地表水以及土壤、岩石層內的地下水等天然水體。
- 土壤水：貯存於土壤內的水
- 地下水：貯存於地下的水
- 超純水：純度極高的水，多用於集成電路工業
- 純水：純度高的水,被認為不導電
- 結晶水：又稱水合水。在結晶物質中，以化學鍵力與離子或分子相結合的、數量一定的水分子。
- 重水的化學分子式為D2O，每個重水分子由兩個氘原子和一個氧原子構成。重水在天然水中占不到萬分之二，通過電解水得到的重水比黃金還昂貴。重水可以用來做原子反應爐的減速劑和載熱劑。
- 超重水的化學分子式為T2O，每個重水分子由兩個氚原子和一個氧原子構成。超重水在天然水中極其稀少，其比例不到十億分之一。超重水的製取成本比重水高上萬倍。
- 半重水的化學分子式為HDO，每個分子中含一個氫原子、一個氘原子和一個氧原子。
物理與化學性質[編輯]
水在常溫常壓下為無色無味的透明液體。在自然界，純水是罕見的，水通常多是含有酸、鹼、鹽等物質的溶液，習慣上仍然把這種水溶液稱為水。純水可以通過蒸餾作用取得，當然，這也是相對意義上的純水，不可能絕對沒有雜質。水是一種可以在液態、氣態和固態之間轉化的物質。
在20℃時，水的熱導率為0.006 J/s·cm·K，冰的熱導率為0.023 J/s·cm·K，在雪的密度為0.1×103 kg/m3時，雪的熱導率為0.00029 J/s·cm·K。水的密度在3.98℃時最大，為1×103kg/m3，溫度高於3.98℃時，水的密度隨溫度升高而減小，在0～3.98℃時，水不服從熱脹冷縮的規律，密度隨溫度的升高而增加。水在0℃時，密度為0.99987×103 kg/m3，冰在0℃時，密度為0.9167×103 kg/m3。因此冰可以浮在水面上。水的定壓摩爾熱容會隨溫度變化，在 0℃ 時，水的定壓摩爾熱容為 ，在 20℃ 時，水的定壓摩爾熱容為 ，在 100℃ 時，水的定壓摩爾熱容為 。[4]
水的熱穩定性很強，當水蒸氣加熱到2000K以上時，也只有極少量的水離解為氫和氧，但水在通電的條件下（電解）會離解為氫和氧。具有很大的內聚力和表面張力，除汞以外，水的表面張力最大，並能產生較明顯的毛細現象和吸附現象。純水有極微弱的導電能力，但普通的水因含有少量電解質（如礦物質、溶解大氣中二氧化碳形成的碳酸）而有較強的導電能力。
水的三相點是273.16K（611.73Pa下），臨界點是647K（22.064 MPa下）。在臨界點之上水無法存在液相及固相，而在臨界點之下水蒸汽容易結成液相。
水溶液[編輯]
水可以用來溶解很多種物質，是很好的無機溶劑，用水作溶劑的溶液，就稱為水溶液。用「aq」作為記號，如「HCl(aq)」。特別需要注意的是，如果不作特殊說明，「xx溶液」，指的就是含有"xx"的水溶液。任何含有水的溶液，都必須稱為「xx的水溶液」，即不管溶質與水的比例，只要有水存在，都應該把水當作溶劑。
當物質溶解於水時，離子化合物在水中發生電離，以離子態存在，這樣的溶液一般是透明的。當分子溶於水時，有些可以與水發生反應，形成新物質，這些新物質溶解於水中，或者這些分子直接填補水分子間的空隙。這些分子、離子等都是溶質。另外，部分極性物質透過和水分子產生氫鍵而溶於水。
對於大部分物質，它們能在水中溶解的質量是有限度的。這種限度叫做溶解度。有些物質可以和水以任意比例互溶，如乙醇，但絕大多數物質在達到溶解度時，就不再溶解。會形成沉澱或者放出氣體，這種現象叫做析出。
還有一種特殊的狀態，叫做膠體。膠體中，粒子的大小在100nm左右，由於電荷的作用不沉澱，懸浮在溶液中。牛奶是一種常見的膠體。膠體和溶液的最本質區別是：膠體的粒子大小要比溶液大。
由於被溶解物質（稱作溶質）的顆粒大小和溶解度不同，水溶液的透明度會有所不同，較透明的稱作真溶液，較混濁的稱作膠態溶液（又稱假溶液），有些膠態溶液還會進一步在底部形成沉澱，成為沉澱膠態溶液。
來源[編輯]
地球是太陽系八大行星之中唯一被液態水所覆蓋的星球。地球上水的起源在學術上存在很大的分歧，目前有幾十種不同的水形成學說。[5]有觀點認為在地球形成初期，原始大氣中的氫、氧化合成水，水蒸氣逐步凝結下來並形成海洋；也有觀點認為，形成地球的星雲物質中原先就存在水的成分。另外的觀點認為，原始地殼中矽酸鹽等物質受火山影響而發生反應、析出水分。也有觀點認為，被地球吸引的彗星和隕石是地球上水的主要來源[6]
在地球上的分布[編輯]
地球表層水體構成了水圈，包括海洋、河流、湖泊、沼澤、冰川、積雪、地下水和大氣中的水。由於注入海洋的水帶有一定的鹽分，加上常年的積累和蒸發作用，海和大洋裡的水都是鹹水，不能被直接飲用。某些湖泊的水也是含鹽水。世界上最大的水體是太平洋。北美的五大湖是最大的淡水水系。歐亞大陸上的裏海是最大的鹹水湖。
地球上水的體積大約有1,360,000,000立方公里。其中：
- 海洋佔1,320,000,000立方公里（即97.1%）；
- 冰川和冰蓋佔25,000,000立方公里（即1.8%）；
- 地下水佔13,000,000立方公里（即1.0%）；
- 河流、湖泊以及內陸海裡的淡水佔250,000立方公里（即0.0018%）；
- 大氣中的水蒸氣在任何已知的時候都佔13,000立方公里（即0.0001%）。
意義與影響[編輯]
對氣候[編輯]
水對氣候具有調節作用。大氣中的水汽能吸收地面輻射量的60%，再以大氣逆輻射的形式返回地面，從而對地面起到保溫作用。水的比熱容很大，海洋和陸地水體在夏季能吸收和積累熱量，使氣溫不致過高；在冬季則能緩慢地釋放熱量，使氣溫不致過低。
雨雪等降水活動對氣候形成重要的影響。海洋和地表中的水蒸發到天空中形成了雲，雲中的水通過降水落下來變成雨，零度以下則變成雪。由於不同的條件，水還會以冰雹、霧、露水、霜等形態出現並影響氣候和人類的活動。
對地貌[編輯]
地球表面有71%被水覆蓋，從空中來看，地球是個藍色的星球。水侵蝕岩石土壤，沖淤河道，夾帶泥沙，營造平原，改變地表形態。
對生物[編輯]
大部分學說認為，地球上的生命最初是在水中出現的。水是所有生物體的重要組成部分。人體中水占70%；而水母中98%都是水。水中生活著大量的水生植被等水生生物。
水有利於部分生物化學反應的進行，如動物的消化作用及植物的光合作用。在生物體內還起到運輸物質的作用，如血液中的血漿絕大部分都是水，有助於體內營養及氧的傳輸。由於水可以透過蒸發而降低溫度，因此水對於維持生物體溫度的穩定起很大作用，如動物的汗液及植物的蒸騰作用。
水的氫鍵使水成為特優的吸熱能力，水將大部份所吸收的熱，用來打斷氫鍵，因此不會增加液體的溫度，而水的比熱容在25℃時，大約是4200J kg-1 K-1，比其它液體普遍較高。因為有此項特質，生活在水中的有機體能得到水的保護，而不會因空氣中溫度的急遽變化而有致命的危險。
對人類社會[編輯]
水是人類生活的重要資源，一天必需攝取2~3公升的水，並提供人們日常生活用水和工農業生產用水，特別是農業需要大量水進行灌溉。人類文明的起源大多都在大河流域，早期城市一般都在水邊建立，以解決灌溉、飲用和排污問題。在人類日常生活中，水對於人類各方面的作用不可或缺。
隨著科學技術的發展，人們興修水利，與水澇害和洪水等自然災害作鬥爭。因此形成了一些專門與水有關的研究領域，如水力學，水文科學，水處理等，甚而產生了以水為生的產業水產業。
水資源[編輯]
水是地球上的任何生物、生命體的必需物質，缺水的土壤便無法孕育生物，淡水更是灌溉與孕育陸地生物的必要元素，淡水的來源、節約、儲存、利用是全球的重要議題。
地球上水總儲量約為1.36x1018m3，但除去海洋等鹹水資源外，只有2.5%為淡水。淡水又主要以冰川和深層地下水的形式存在，河流和湖泊中的淡水僅占世界總淡水的0.3%。
世界氣象組織於1996年初指出：缺水是全世界城市面臨的首要問題，估計到2050年，全球有46％的城市人口將面臨著缺水問題。對於水資源稀少的地區來說，水已經超出生活資源的範圍，而成為戰略資源，由於水資源的稀有性，水戰爭爆發的可能性越來越高。
為了讓全世界都關心淡水資源短缺的問題，第47屆聯合國大會決定將每年3月22日定為「世界水日」。
早期人們會抽取使用地下水，然而使用地下水會造成地層下陷並破壞地底結構，造成無法回復的永久性破壞，亦有可能阻斷地下水，所以許多國家立法禁止使用地下水，以避免各種永久性的損害。
海水淡化是其一種對策，但由於耗用能量過高及成本過高，多數海水淡化廠在建成後不久就因資金不足被迫關閉。在杜拜這個乾旱但富裕的地方，則利用這個方法取得淡水。
來源[編輯]
淡水水資源的主要來源包括雨水、雪水、河水、淡化海水和地下水、回收水[1] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）等。
水循環[編輯]
水循環（hydro-logical cycle）是水的一個自然循環過程。從蒸發到凝結再到蒸發，從雲變成水，冰，再到水蒸氣。地球上的水之所以一直留存，就是因為水循環。水循環通常是冰→水→雲→水（→冰）的過程。
功用[編輯]
人類生活和生產的方方面面都要使用到水資源。
- 農業用水：各種灌溉用水，動、植物用水。
- 工業用水：輕工業、重工業、機械工程、土木工程建築工程、高科技產業、能源產業皆須使用水資源。化學工業也非常多樣化。一方面，它是無機和有機合成中必不可少的溶劑，反應介質或試劑。烷烴的蒸汽重整產生合成氣[7]，蒸汽裂解產生非常有價值的烯烴（乙烯，丙烯）。它在基於丙烷和丙烯氧化的丙烯酸合成中也起著重要作用[8][9][10]。還正在進行深入研究以從水中產生過氧化氫 [11]。
- 都市用水：村落用水，生物都需要水分，人類的生活亦須使用水。
- 觀光用水：美麗的風景和觀光區，皆需要使用水分。噴泉（包括音樂噴泉）以噴射水柱成為其中一個景觀。
- 沙漠灌溉用水：沙漠化是全球重要且困難的議題，沙漠化的原因在於水分的流失或缺少，因此要解決沙漠化問題，必須要有相當充足的水分灌溉並維持住水分。
儲存[編輯]
水資源的儲水、供水、分配和調節亦是全球的重要議題。
節約[編輯]
- 生物的生活與水資源息息相關，然而在水資源的節約上，有很多的議題，例如廢水的回收與再使用（中水）、都市污水處理系統、雨水收集使用、各式省水器具(省水馬桶等)、大力推廣農業滴灌種植技術。
- 水資源對於生物如此重要，水資源的節約是全球相當重要性的議題。
造水[編輯]
因為水對生命非常重要，所以人類嘗試著根據水的基本特性以科學、技術、物理、化學、能量等各種方式來造水以增加水資源。
汙染[編輯]
水汙染即水體因某種物質的介入，而導致其化學、物理、生物或者放射性等方面特徵的改變，從而影響水的有效利用，危害人體健康或者破壞生態環境。 水體中，最重要的指數是溶解氧。外來物質進入水體後，可以被微生物分解，被溶解氧氧化，這都要消耗一定的溶解氧，這叫做水體的「自淨能力」，如果外來物質太多，溶解氧被完全消耗，就是超過了水體的自淨能力，水中生物會因缺氧而窒息死亡或中毒，這就是污染狀態。
汙染的水若被生物飲用或灌溉，會嚴重的損害生物的健康，造成生物體被破壞、衰弱、生成疾病，嚴重者即失去生命。換言之，生物若飲用潔淨的水，可保持健康、促進循環。因此避免水汙染在全球是個重要的議題。為了解決這一問題，汙水處理等水汙染控制措施就變得十分必要。
水文化[編輯]
人類很早就開始對水產生了認識，聖經創世紀記載，水是神創造萬物之前就存在的元素，「太初之時，上帝創造天地。 地乃虛曠，淵際晦冥，上帝之神，煦育乎水面」。(創世記1:1-2)[12] 東西方古代樸素的物質觀中都把水視為一種基本的組成元素。
古代世界觀中的水[編輯]
在文明的早期，人們開始探討世界各種事物的組成或者分類，水在其中扮演了重要角色。古代西方提出的四元素說中就有水；佛教中的四大種也有水；中國古代的五行學說中水代表了所有的液體，以及具有流動、潤濕、陰柔性質的事物。
老子認為，如果在世界上找一樣事物來描寫「道」，最適合的就是「水」。因此，在《老子》第八章：「上善若水。水善利萬物而不爭，處眾人之所惡，故幾於道。」水滋潤大地萬物，卻不爭奪顯赫的位置，處於大眾討厭的位置，去充滿低洼之地，所以就接近於道了。第七十八章又說：「天下柔弱莫過於水，而攻堅強者莫之能勝，以其無以易之。」指出柔弱勝剛強的道理。《荀子》：「水能載舟，亦能覆舟」，指出了君王與民眾的關系。
水崇拜[編輯]
在從前，古人對於水兼有養育與毀滅能力、不可捉摸的性情，產生了又愛又怕的感情，而導致了水崇拜的出現。通過賦予水以神的靈性，祈求水給人類帶來豐收和幸福。
中國傳統上的龍王就是對水的神格化。凡有水域水源處皆有龍王，龍王廟、堂遍及全國各地。祭龍王祈雨是中國傳統的信仰習俗。
水文逸[編輯]
在某些地區，文逸代表常人，水文逸就是水親近生活的叫法，賦予其靈性，因而產生了水文逸這個文化。
參考文獻[編輯]
- ^ 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. （原始內容 (PDF)存檔於2011-07-26）.
- ^ 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. （原始內容 (HTML)存檔於2012-04-03）.
- ^ 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)
- ^ 朱, 曉東. 热学. 合肥: 中國科學技術大學. 2014: 116. ISBN 978-7-312-03183-0.
- ^ 视频：地球上的水是从哪里来的？. 優酷. [2014-11-02]. （原始內容存檔於2014-11-02）.
- ^ 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". （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Meteoritics & Planetary Science, vol. 35, no. 6, pp. 1309-13
- ^ 存档副本. [2020-06-13]. （原始內容存檔於2020-06-13）.
- ^ 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- ^ 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- ^ 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- ^ Electrochemical synthesis of hydrogen peroxide from water and oxygen https://www.nature.com/articles/s41570-019-0110-6 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- ^ 創世紀第一章. [2021-09-08]. （原始內容存檔於2021-12-24）.
參看[編輯]
延伸閱讀[編輯]
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外部連結[編輯]
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