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本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目 审核 。
- 中文名
- 水
- 外文名
-
Water
Oxidane
Hydroxicacid
Hydroxylicacid - 别 名
- 氧化氢(系统命名法)、氧烷、一氧化二氢、氢氧酸、氢氧化氢、苛性氢
- 化学式
- H2O
- 分子量
- 18.0153[3]
- CAS登录号
- 7732-18-5[4]
- EINECS登录号
- 231-791-2
- 熔 点
- 0 ℃
- 沸 点
- 99.97 ℃（标准大气压）
- 水溶性
- 对各种物质都具有亲和性
- 密 度
- 1000 kg/m³[4]
- 外 观
- 常温下无色透明液体
- 应 用
- 溶剂、维持生命等
- 安全性描述
- 安全
- 危险性符号
- 无
- 危险性描述
- 无
- UN危险货物编号
- Not Applicable
- CN危险货物编号
- Not Applicable
- 比热容
- 4.186kJ/(kg·℃)/4.2 kJ/(kg·℃)
- 临界温度
- 374.3℃
- 临界压力
- 22.05MPa
- 导电率
- 0.055μS/cm
- 三相点
- 0.01℃[5]
目录
在人类文明的早期，人们开始探讨世界各种事物的组成或者分类，很早就开始对水产生了认识，古代西方提出的四元素说中就有水；佛教中也认为地、水、火、风是构成物质的基本元素；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。圣经创世纪中也认为水是神创造万物之前就存在的元素。在很长的一段时间里，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，直到1781年，普里斯特里点燃“易燃空气”和空气的混合气，发现瓶壁有水珠。卡文迪许又用纯氧代替空气重复这一实验，证实“易燃空气”燃烧产生水，“易燃空气”是指氢气。可惜受错误观念影响，这两位科学家仍认为水是一种元素。1782年，拉瓦锡将水蒸气通过灼热的铁管，收集到“易燃空气”芝钻订和黑色固体（四氧化三铁），因此他认为水不是一种元素。
1805年，经过捆霉Gay-Lussac和Humbolt的定量研究，进一步确定了氢和氧按二比一的比例相寒纸榜鸦化合，至炼尝此，水的化学组成为H辣尝炼2O被初步确立趋嫌企。[6]
目前根据IUPAC规定只狼危，H付厚2O分子的正式名称只有两种：水（Water）与氧烷（Oxidane）。民间根据其化学式，给水起了以下别称：氧化氢、一氧化二氢；类比VIA族与VIIA族其它化合物命名规律：氢氧酸、酸式氧；类比金属氢氧化物（碱）命名规律：氢氧化氢、苛性氢、羟基氢、碱式氢等。
水在常温常压下为无色无味的透明液体。水的三相点是273.16 K（611.73 Pa下），临界点是647 K（22.064 MPa下）。在临界点之上水无法存在液相及固相，而在临界点之下水蒸汽容易结成液相。水是一种可以在液态、气态和固态之间转化的物质。在20℃时，水的热导率为0.006J/s⸱cm⸱K，冰的热导率为0.023J/s⸱cm⸱K。水的密度在3.98℃时最大，为1×103kg/m3，温度高于3.98℃时，水的密度随温度升高而减小，在0~3.98℃时，水不服从热胀冷缩的规律，密度随温度的升高而增加。水在0℃时，密度为0.99987×103kg/m3，冰在0℃时，密度为0.9167×103kg/m3。因此冰可以浮在水面上。水的定压摩尔热容会随温度变化，在0℃时，水的定压摩尔热容为75.817J/mol/K，在20℃时，水的定压摩尔热容为75.165 J/mol/K，在100℃时，水的定压摩尔热容为75.541 J/mol/K。具有很大的内聚力和表面张力，除汞以外，水的表面张力最大，并能产生较明显的毛细现象和吸附现象。纯水有极微弱的导电能力，但普通的水因含有少量电解质（如矿物质、溶解大气中二氧化碳形成的碳酸）而有较强的导电能力。[7-8]
日常生活中的水可分为软水和硬水，溶有较多可溶性钙、镁和铁盐的水叫做硬水。水中含有的Ca2+，Mg2+等离子的总浓度称为硬度。GPG为水硬度单位，1GPG表示1加仑水中硬度离子（钙镁离子）含量为1格令。按美国WQA（水质量协会）标准，水的硬度分为6级：0~0.5GPG为软水，0.5~3.5GPG为微硬，3.5~7.0GPG为中硬，7~10.5GPG为硬水，10.5~14.0GPG为很硬，14.0GPG以上为极硬。[12]含有HCO3‒的水称为暂时硬水，加热时碳酸氢根离子分解使得钙镁离子沉淀而软化。含有Cl‒，SO42‒的水不能通过加热软化，称为永久硬水。可以用肥皂水来区分软硬度，通过煮沸的方式可以使硬水变软。
水分子不是完美的球形，其分子模型如图所示，从其旋转中心测定得到的直径为0.312nm，平均范德华直径约为0.28nm。
化学式：H₂O
结构式：H—O—H（两氢氧键间夹角104.5°）。
分子构成：水是由氢氧两种元素组成，两个氢原子一个氧原子形成V字型结构。常温常压下，气态自由水分子氢氧键的键长为0.9527×10-10米，两个氢氧键之间的夹角为104.52°。
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⇌H⁺+OH⁻或H₂O+H₂O⇌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⁺，常温下纯水中氢离子物质的量浓度为10⁻⁷ mol/L。
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）
2F₂+2H₂O=4HF+O₂↑。
4. 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，电解水也是一种电能转化为化学能的一种有用方法。
2H₂O（通电）=2H₂↑+O₂↑。
Na₂O+H₂O=2NaOH
CaO+H₂O=Ca（OH）₂
SO₃+H₂O=H₂SO₄
P₂O₅+3H₂O=2H₃PO₄
CH₂=CH₂+H₂O⇌C₂H₅OH
6.水解反应
Mg₃N₂+6H₂O（加热）=3Mg（OH）₂↓+2NH₃↑
NaAlO₂+HCl+H₂O=Al（OH）₃↓+NaCl（NaCl少量）
碳化钙水解：
卤代烃水解：
醇钠水解：
C₂H₅ONa+H₂O→C₂H₅OH+NaOH
酯类水解：
多糖水解：（C₆H₁₀O₅）n+nH₂O⇌nC₆H₁₂O₆
丙腈水解：CH₃CH₂CN+H₂O→CH₃CH₂C（OH）NH→CH₃CH₂C（OH）NH+H₂O→CH₃CH₂C（OH）₂NH₂→CH₃CH₂CONH₂+H₂O→CH₃CH₂COOH+NH₃
酰胺水解：—CO—NH—+H₂O→—COOH+NH₂—
7. pH值：水在25 ℃下pH值为7（中性），随着温度的变化仍为中性。
冰（固态的水）
冰，是由水分子有序排列形成的结晶，水分子间靠氢键连接在一起形成非常“开阔”（低密度）的刚性结构。水结晶也可以直接形成立方冰。[14]
由于水分子间有氢键结合这样的结构所决定的四面体结构。根据近代X射线的研究，证明了冰具有四面体的晶体结构。这个四面体是通过氢键形成的，是一个敞开式的开阔结构，因为五个水分子不能把全部四面体的体积占完，在冰中氢键把这些四面体联系起来，成为一个整体。这种通过氢键形成的定向有序排列，空间利用率较小，约占34%，因此冰的密度较小，约为摄氏4度时液态水的92%。
超临界水
超临界水是指温度和压力高于临界点（374.3℃，22.1MPa）的水。水的密度、介电常数和电离度等参数一般都随温度和压力的变化而发生改变，而在临界点附近变化非常剧烈。[15]临界点时水与水蒸气不可区分，成为一种新的呈现高压高温状态的流体。这种超临界流体有很多性质，比如具有极强的氧化能力，将需要处理的物质放入超临界水中，再向其中溶解氧气（可以大量溶解），其氧化性强于高锰酸钾。二是许多物质都可以在其中燃烧，冒出火焰。三是可以溶解很多物质（比如油），且在溶解时体积会大大缩小，这是因为超临界水在这时会紧紧裹住油。四是它能够缓慢地溶解腐蚀几乎所有金属，甚至包括黄金（与王水相仿）。五是它的超级催化作用，在超临界水中，化学反应变得很快。
重水和超重水
重水，又称氧化氘或氘水，是由重氢（D）和氧（O）组成的化合物。一个重水分子由两个氘原子（D）与一个氧原子（O）组成，其分子式为 D2O，化学式是 D2O。重水的外观与普通水相似，仅是密度稍高，为1.1079 g/cm3，凝固点和沸点较高，分别为3.82 ℃和101.42 ℃。重水的相对分子质量为20.0275Mr，比水（H2O）的相对分子质量18.0153Mr高约11%，因此被称为“重水”。[16]
超重水由两个氚和一个氧组成，故又称一氧化二氚，其化学式为T2O或3H2O。氚是氢的放射性同位素，氚原子核由一个质子和两个中子组成，半衰期约12年，水在地球上的总重大约是一百三十六亿亿吨，超重水在天然水中极其稀少，其比例不到十亿分之一。若要制取1公斤的重水需要超过100万吨的天然水和大量的电能，因此超重水成本比黄金高上百倍，比重水提取成本高上万倍。[17]
城市的自来水作为原水虽然已经达到饮用水标准，但仍残留少量的悬浮颗粒、有机物和残余氯、钙、镁等离子，为了把这些杂质除去，需要对原水进行前处理以去除原水中的悬浮物、胶体、微生物；降低原水中过高的浊度和硬度。前处理技术通常包括多介质过滤、活性炭过滤、软化处理、精密过滤和保安过滤等步骤。[18]
- 多介质过滤
多介质过滤器使用前要进行反洗和正洗，运行时多介质过滤器内必须完全充满水。多介质过滤器每运行2天，需反洗1—2次（先反洗后正洗，正洗完毕后再运行）。[18]
- 活性炭过滤
活性炭过滤器用前要进行反洗和正洗，运行时活性炭过滤器内必须完全充满水。活性炭过滤器每运行2天，需反洗、正洗1—2次（先反洗后正洗）。因复合膜不耐余氯，活性炭过滤器是为除余氯而设，因此，绝不能使未经过活性炭过滤器的水进入反渗透膜，否则膜的损坏无法恢复。[18]
- 软化处理
软化法是利用离子交换树脂与水中的钙镁离子进行交换，将水中的钙镁离子去除。软化器能自动完成反洗、再洗、冲洗、运行工作。[18]
- 精密过滤
是采用3—5μm 的精密滤芯，滤出5μm以上的粒子。精密过滤器的滤芯一般90天或每个过滤器的压力下降大于0.1MPa时更换或清洗一次。[18]
- 保安过滤
一般情况下保安过滤器放置在石英砂、活性炭、树脂等之后，是去除大颗粒杂质的最后保障，以防止反渗透膜被损坏。从广义上讲，精密过滤器也属于保安过滤器。保安过滤器的滤芯一般90天或每个过滤器的压力下降大于0.1MPa时更换或清洗一次。滤芯的清洗方法为3%—5%NaOH泡12小时以上，冲洗干净，再用3%—5%HCI泡12小时以上，冲洗干净，晾干待用。[18]
水是人类最基本的生存需求之一。我们需要水来满足日常饮水需求，保持身体健康和正常的生理功能。
水是农业生产的资源之一。用于农作物的灌溉、农田的排水、养殖业的畜牧、温室中的植物生长等，水对于农业的发展和粮食生产至关。
商业场所需要水来满足办公、商店、餐饮和娱乐场所的日常活动需求，例如供应给员工和顾客的饮用水、清洁用水、厕所冲洗等。
水被用于个人卫生，包括洗手、洗澡、刷牙和洗衣服等。此外，水还被用于清洁家居、公共设施、道路和车辆等。
水是维持湿地、河流、湖泊和海洋等生态系统的基础和支撑。水提供了许多生物的栖息地和食物链中的角色。
水也是药品生产不可缺少的原辅材料。其在药物生产中用量大、使用广，用于生产过程及药物制剂的制备过程。制药工业中所用的水，特别是用来制造药物产品的水的质量，直接影响药物产品的质量。制药用水的原水通常为饮用水。制药用水的制备从系统设计、材质选择、制备过程、贮存、分配和使用均应符合药品生产质量管理规范的要求。[18]
地球是太阳系八大行星之中唯一由液态水所覆盖的星球。地球表层水体构成了水圈，包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、积雪、地下水和大气中的水。由于注入海洋的水带有一定的盐分，加上常年的积累和蒸发作用，海和大洋里的水都是咸水，不能直接饮用。某些湖泊的水也是含盐水。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13.6亿立方千米。其中:
·海洋占1，320，000，000立方千米（即97.1%）；
·大气中的水蒸气在任何已知的时候都占13，000立方千米（即0.0001%）。[9]
·月球
·水星、火星、海王星、冥王星
中国淡水总量在2.8万亿立方米左右，在全球范围内总淡水资源中占据约6%，人均淡水量仅占全球人均淡水量的25%，是现阶段全球人均淡水量最少的国家之一。中国水资源在空间分布上呈东南多，西北少的趋势。长江以北各水系流域面积占全国国土面积的63.5%，而水资源仅占全国总量的19%；长江以南各水系流域面积占全国国土面积的36.5%，而水资源却占全国总量的81%。[10-11]
化学性污染
污染杂质为化学物品而造成的水体污染。化学性污染根据具体污染杂质可分为6类：
（6）油类污染物质：主要指石油对水体的污染，尤其海洋采油和油轮事故污染最甚。
物理性污染
物理性污染包括：
（1）悬浮物质污染：悬浮物质是指水中含有的不溶性物质，包括固体物质和泡沫塑料等。它们是由生活污水、垃圾和采矿、采石、建筑、食品加工、造纸等产生的废物泄入水中或农田的水土流失所引起的。悬浮物质影响水体外观，妨碍水中植物的光合作用，减少氧气的溶入，对水生生物不利。
生物性污染
生活污水，特别是医院污水和某些工业废水污染水体后，往往可以带入一些病原微生物。例如某些原来存在于人畜肠道中的病原细菌，如伤寒、副伤寒、霍乱细菌等都可以通过人畜粪便的污染而进入水体，随水流动而传播。一些病毒，如肝炎病毒、腺病毒等也常在污染水中发现。某些寄生虫病，如阿米巴痢疾、血吸虫病、钩端螺旋体病等也可通过水进行传播。由此看见保护我们的地球环境，防止工业污染和病原微生物对水体的污染也是保护环境，更是保障人体健康的一大课题。
污染的水若被生物饮用或灌溉，会严重的损害生物的健康，造成生物体被破坏、衰弱、生成疾病，严重者即失去生命。换而言之，生物若饮用洁净的水，可保持健康促进循环。因此避免水污染在全球是个的议题。为了解决这一问题，污水处理等水污染控制措施就变得十分必要。
对气候
水对气候具有调节作用，大气中的水汽能吸收太阳辐射到地面能量的60%，再以大气逆辐射的形式返回地面，从而对地面起到保温作用。水的比热容很大，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。
对地形
水覆盖71%地球表面，从空中来看，地球是蓝色星球。水侵蚀岩石土壤，冲淤河道，夹带泥沙，营造平原，改变地表形态。
对生物
水是所有生物体的组成部分。人体中水占70%；而水母中98%都是水。在生物体中，水是一种缓冲的溶液，利用解离出的氢氧基（OH-）以及质子（H+）可以将外来少量的强酸或强碱中和，如此可确保细胞中的蛋白质结构的完整性，而对酵素而言，在酵素的结构上需要维持一定的结构才具有活性。而经由上述案例可说明在生物体内需要利用水的化学及物理性质才可维持生物体结构（细胞形状）及机能（如酵素活性）上的稳定。水有利部分生物化学反应，维持其生理能，如动物的消化作用及植物的光合作用。在生物体内还起到运输物质的作用如血液中的血浆绝大部分都是水，有助于体内营养及氧的传输。由于水可以透过蒸发而降低温度，因此水对于维持生物体温度的稳定起很大作用，如动物的汗液及植物的蒸腾作用。一般来说植物的生长需要水分，水（与二氧化碳）作为原料参与了光合作用，且在植物的呼吸作用中作为产物。植物在运送水分时，是利用水的氢键互相牵引所形成如水链状结构，在植物专门运送水分的导管中形成氢键使水分子不会受到引力作用而掉落至导管管壁，再利用蒸散作用带动水分向上运输。在植物水分的运输过程中充分的解释了水的运输牵涉于水的物理性质。
水的氢键使水成为特优的吸热能力，水将大部分所吸收的热，用来打断氢键，因此不会增加液体的温度，而水的比热容在25°C时，大约是4200J⸱kg-1K-1，比其它液体普遍较高。因为有此项特质，生活在水中的有机体能得到水的保护，而不会因空气中温度的急剧变化而有致命的危险。
对人类
水是人类生活的资源，一天必需摄取2~3升的水，并提供人们日常生活用水和工农业生产用水，特别是农业需要大量灌溉水。人类文明的起源大多都在大河流域，早期城市一般都在水边建立，以解决灌溉、饮用和排污问题。在人类日常生活中，水对于人类各方面的作用不可或缺。