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液態水的水滴,以及因某物從水面掉落而在水中產生的凹陷和反彈
一塊固態水(
地球大氣層中的氣態水蒸氣凝結而成。

地球上極常見的物質,是由兩種元素經過化學反應後組成的無機化合物分子式:H2O),在常溫常壓下為無色無味的透明液體

水是包括人類在內所有生命生存的重要資源,在生命演化中有重要作用,也是生物體最重要的組成部分。人體內有大約百分之七十是水,不同器官水份含量差別很大。

水在科學哲學宗教文學美術體育等都有其象徵。

概念[編輯]

水的四態:液態海水)、固態冰山)、氣態(看不見的水蒸氣)以及電漿。圖中的則是聚集在大氣層上的水滴集合體
水的漣漪

性質[編輯]

物理性質[編輯]

水在常溫常壓下為無色無味的透明液體。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。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 [5]

水具有很大的內聚力和表面張力,除以外,水的表面張力最大,並能產生較明顯的毛細現象吸附現象。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、溶解大氣二氧化碳形成的碳酸)而有較強的導電能力。

化學性質[編輯]

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。但水在通電的條件下(水電解)會離解為氫和氧。此電解的最低電壓限制為1.23伏特[6]

自然界,純水是罕見的,水通常多是含有等物質的溶液,習慣上仍然把這種水溶液稱為水。[7]水可以用來溶解很多種物質,是很好的極性無機溶劑,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。

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。一般來說,離子分子和極性分子諸如酸、酒精和鹽類透過和水分子產生氫鍵而比較容易溶解在水中。

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

分布[編輯]

在地球上[編輯]

各種型態的水在地球上的分布情形
各種型態的水在地球上的分布情形

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,加上常年的積累蒸發作用,海和大洋裡的水都是鹹水,不能直接飲用。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13.6億立方公里。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%)。

地球是太陽系八大行星之中唯一由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。[8]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,地球吸引的彗星隕石是地球上水的主要來源。[9]

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。

星雲塵埃凝聚,形成各種彗星行星矮行星及其衛星,水也在這些天體上。在太陽系中,水以固體形式存在以下天體:

2015年9月28日,美國航空航天局宣布,在火星上發現季節性液態鹽水。[10]科學家預測液態水也極有可能在土衛二的表面。

水科學[編輯]

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。海洋地表中的水蒸發到天空中形成了,雲中的水通過降水落下來變成,零度以下則變成。由於不同的條件,水還會以冰雹露水等形態出現並影響氣候和人類的活動。

對地形[編輯]

水覆蓋71%地球表面,從空中來看,地球是藍色星球。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。水中生活著大量的水生植被水生生物

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。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。

水有利部分生物化學反應,維持其生理機能,如動物消化作用植物光合作用。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,如動物汗液植物蒸騰作用[11]

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。

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[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灌溉水。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]

水龍頭中流出的飲用水

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水、水、淡化海水地下水回收水等。

水循環[編輯]

水循環(hydro-logical cycle)是水的自然循環過程。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。

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]

污水處理廠

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,「起初,神創造天地。地是空虛混沌,淵面黑暗。神的靈運行在水面上。」(創世記1:1-2)[19]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。

參見[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ GB 8537-2018:食品安全國家標準 飲用天然礦泉水.
  2. ^ 臺北自來水事業處 ─ 淨水場淨水處理. [2015-08-09]. (原始內容存檔於2016-12-11). 
  3. ^ Diersing, Nancy (2009). "Water Quality: Frequently Asked Questions."頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) Florida Brooks National Marine Sanctuary, Key West, FL.
  4. ^ AS. 實驗動物中心的用水管理(上) - 國衛院電子報. 2022-09-29 [2023-01-14]. (原始內容存檔於2023-01-14) (中文(臺灣)). 
  5. ^ 朱, 曉東. 热学. 合肥: 中國科學技術大學. 2014: 116. ISBN 978-7-312-03183-0. 
  6. ^ Hydrogen Basics — Production. Florida Solar Energy Center. 2007 [5 February 2008]. (原始內容存檔於18 February 2008). 
  7. ^ 揭開水的面紗. 水環境O2O教育官方網站. [2024-07-08] (中文(臺灣)). 
  8. ^ 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). 
  9. ^ 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
  10. ^ NASA Confirms Evidence That Liquid Water Flows on Today’s Mars - NASA. [2024-02-26]. (原始內容存檔於2024-02-16) (美國英語). 
  11. ^ 水與生物的重要性 網際網路檔案館存檔,存檔日期2013-12-17.
  12. ^ 存档副本. [2020-06-13]. (原始內容存檔於2020-06-13). 
  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
  14. ^ 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
  15. ^ 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
  16. ^ 存档副本. [2023-02-18]. (原始內容存檔於2023-01-05). 
  17. ^ 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
  18. ^ 存档副本. [2023-02-18]. (原始內容存檔於2022-12-30). 
  19. ^ 創世紀第一章. [2021-09-08]. (原始內容存檔於2021-12-24). 

延伸閱讀[編輯]

[在維基數據]

維基文庫中的相關文本:欽定古今圖書集成·方輿彙編·坤輿典·水部》,出自陳夢雷古今圖書集成

外部連結[編輯]