水
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| 水 | |||
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| IUPAC名 氧烷 (oxidane)[1], 水 (water) | |||
| 别名 | 氧化氢 (hydrogen oxide) 一氧化二氢 (dihydrogen monoxide, DHMO) 一氧化氢 (hydrogen monoxide) 氧化二氢 (dihydrogen oxide) 氢氧化氢 (hydrogen hydroxide, HH 或 HOH) hydric acid 氢羟酸 (hydrohydroxic acid) 羟酸 (hydroxic acid) hydrol[2] μ-氧合二氢 (μ-oxido dihydrogen) | ||
| 识别 | |||
| CAS号 | 7732-18-5 | ||
| PubChem | 962 | ||
| ChemSpider | 937 | ||
| SMILES |
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| Beilstein | 3587155 | ||
| Gmelin | 117 | ||
| ChEBI | 15377 | ||
| RTECS | ZC0110000 | ||
| 性质 | |||
| 化学式 | H2O 或 HOH | ||
| 摩尔质量 | 18.01524 g·mol⁻¹ | ||
| 外观 | 近无色微蓝透明晶体，液体或無色氣體[3] | ||
| 密度 | 1000 kg·m−3 (液,4 °C) 917 kg·m−3 (固) | ||
| 熔点 | 0 °C, 32 °F (273.15 K)[4] | ||
| 沸点 | 100 °C, 212 °F (373.15 K)[4] | ||
| pKa | 15.74 ~35-36 | ||
| pKb | 15.74 | ||
| 黏度 | 0.001 Pa·s, 20 °C | ||
| 结构 | |||
| 晶体结构 | 六方 参见冰 | ||
| 分子构型 | 角形 | ||
| 偶极矩 | 1.85 D | ||
| 危险性 | |||
| 主要危害 | 水中毒 | ||
| NFPA 704 |
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| 相关物质 | |||
| 相关溶剂 | 丙酮、甲醇 | ||
| 相关化学品 | 水蒸气、冰 重水、超重水、雪 | ||
| 附加数据页 | |||
| 结构和属性 | 折射率、介電係數等 | ||
| 热力学数据 | 相變数据、固、液、气性质 | ||
| 光谱数据 | UV-Vis、IR、NMR、MS等 | ||
| 若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。 | |||
水（化学式：H2O）是由氢、氧两种元素經過化學反應後组成的无机物，在常温常压下为无色无味的透明液体。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的作用。人类很早就开始对水产生了认识，聖經創世紀記載，水是上帝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)[5] 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，水是中國古代五行之一。人體內有百分之七十是水。
电解水实验
通常情况下，水能被完全电解成氢气和氧气
種类
不同的学科对水有着一些不同的称呼：
- 根据水質的不同，可以分为：
此外还有：
- 生物水：在各种生命体系中存在的不同状态的水
- 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：贮存于土壤内的水
- 地下水：贮存于地下的水
- 超純水：纯度极高的水，多用于集成电路工业
- 純水：純度高的水,被認為不導電
- 结晶水：又称水合水。在结晶物质中，以化学键力与离子或分子相结合的、数量一定的水分子。
- 重水的化学分子式为D2O，每个重水分子由两个氘原子和一个氧原子构成。重水在天然水中占不到万分之二，通过电解水得到的重水比黄金还昂贵。重水可以用来做原子反应堆的减速剂和载热剂。
- 超重水的化学分子式为T2O，每个重水分子由两个氚原子和一个氧原子构成。超重水在天然水中极其稀少，其比例不到十亿分之一。超重水的制取成本比重水高上万倍。
- 半重水的化学分子式为HDO，每个分子中含一个氢原子、一个氘原子和一个氧原子。
- 自由水
- 結合水
物理与化学性质
水在常温常压下为无色无味的透明液体。在自然界，纯水是罕见的，水通常多是含有酸、碱、盐等物质的溶液，习惯上仍然把这种水溶液称为水。纯水可以通过蒸馏作用取得，当然，这也是相对意义上的纯水，不可能绝对没有杂质。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0.006 J/s·cm·K，冰的热导率为0.023 J/s·cm·K，在雪的密度为0.1×103 kg/m3时，雪的热导率为0.00029 J/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0.99987×103 kg/m3，冰在0℃时，密度为0.9167×103 kg/m3。因此冰可以浮在水面上。
水的热稳定性很强，当水蒸气加热到2000K以上时，也只有极少量的水离解为氢和氧，但水在通电的条件下（电解）会离解为氢和氧。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。[來源請求]
水的三相点是273.16K（611.73Pa下），临界点是647K（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。
水溶液
水可以用来溶解很多种物质，是很好的无机溶劑，用水作溶劑的溶液，就称为水溶液。用“aq”作为记号，如“HCl(aq)”。特别需要注意的是，如果不作特殊说明，“xx溶液”，指的就是"xx"的水溶液。任何含有水的溶液，都必须称为“xx的水溶液”，即不管溶质与水的比例，只要有水存在，都應該把水当作溶剂。
当物质溶解于水时，离子化合物在水中发生电离，以离子态存在，这样的溶液一般是透明的。当分子溶于水时，有些可以与水发生反应，形成新物质，这些新物质溶解于水中，或者这些分子直接填补水分子间的空隙。这些分子、离子等都是溶质。另外，部分極性物質透過和水分子產生氫鍵而溶於水。
对于大部分物质，它们能在水中溶解的质量是有限度的。这种限度叫做溶解度。有些物质可以和水以任意比例互溶，如乙醇，但绝大多数物质在达到溶解度时，就不再溶解。会形成沉淀或者放出气体，这种现象叫做析出。
还有一种特殊的状态，叫做膠體。胶体中，粒子的大小在100nm左右，由于电荷的作用不沉淀，悬浮在溶液中。牛奶是一种常见的膠体。
由於被溶解物質（稱作溶质）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淀，成為沉澱膠態溶液。
来源
地球是太阳系八大行星之中唯一被液态水所覆盖的星球。地球上水的起源在学术上存在很大的分歧，目前有几十种不同的水形成学说。[6]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。另外的观点认为，原始地壳中矽酸鹽等物质受火山影响而发生反應、析出水分。也有观点认为，被地球吸引的彗星和隕石是地球上水的主要来源[7]
在地球上的分布
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，海和大洋裡的水都是咸水，不能被直接饮用。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。欧亚大陆上的裏海是最大的鹹水湖。
地球上水的体积大約有1,360,000,000立方公里。其中：
- 海洋佔1,320,000,000立方公里（即97.1%）；
- 冰川和冰盖佔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、湖泊以及內陆海裡的淡水佔250,000立方公里（即0.0018%）；
- 大气中的水蒸气在任何已知的時候都佔13,000立方公里（即0.0001%）。
意义与影响
对气候
水对氣候具有调节作用。大气中的水汽能吸收地面辐射量的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，海洋和陆地水體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。
雨雪等降水活动对气候形成重要的影响。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，零度以下则变成雪。由于不同的条件，水还会以冰雹、霧、露水、霜等形态出现并影响气候和人类的活动。
对地貌
地球表面有71%被水覆盖，从空中来看，地球是个蓝色的星球。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
有學說認為，地球上的生命最初是在水中出现的。水是所有生物体的重要组成部分。人体中水占70%；而水母中98%都是水。水中生活着大量的水生植被等水生生物。
水有利于部分生物化学反应的进行，如動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，如血液中的血浆絕大部分都是水，有助於體內营养及氧的傳輸。由於水可以透過蒸發而降低溫度，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。
水的氢键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。
对人类社会
水是人类生活的重要资源，一天必需攝取2~3公升的水，並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水进行灌溉。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，水對於人類各方面的作用不可或缺。
随着科学技术的发展，人们兴修水利，与水涝害和洪水等自然灾害作斗争。因此形成了一些专门与水有关的研究领域，如水力学，水文科学，水处理等，甚而产生了以水为生的产业水產業。
水資源
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。
地球上水总储量约为1.36x1018m3，但除去海洋等咸水资源外，只有2.5%为淡水。淡水又主要以冰川和深层地下水的形式存在，河流和湖泊中的淡水仅占世界总淡水的0.3%。
世界气象组织于1996年初指出：缺水是全世界城市面临的首要问题，估计到2050年，全球有46％的城市人口将面临着缺水问题。對於水资源稀少的地區來說，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。
为了让全世界都关心淡水资源短缺的问题，第47届联合国大会决定将每年3月22日定为“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
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] （页面存档备份，存于互联网档案馆）等。
水循环
水循环（hydro-logical cycle）是水的一个自然循环过程。从蒸发到凝结再到蒸发，从云变成水，冰，再到水蒸气。地球上的水之所以一直留存，就是因为水循环。水循环通常是冰→水→云→水（→冰）的过程。
功用
人类生活和生产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。化学工业也非常多样化。一方面，它是无机和有机合成中必不可少的溶剂，反应介质或试剂。烷烃的蒸汽重整产生合成气[8]，蒸汽裂解产生非常有价值的烯烃（乙烯，丙烯）。它在基于丙烷和丙烯氧化的丙烯酸合成中也起着重要作用[9][10][11]。还正在进行深入研究以从水中产生过氧化氢 [12]。
- 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：美麗的风景和觀光區，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
水資源的儲水、供水、分配和調節亦是全球的重要議題。
節約
- 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，例如廢水的回收与再使用（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)、大力推广农业滴灌种植技术。
- 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
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
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，生物若飲用洁淨的水，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。为了解决这一问题，汙水處理等水汙染控制措施就变得十分必要。
水文化
水在科学、哲学、宗教、文学、美术、体育、神话等中都有所体现。
古代世界观中的水
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；佛教中的四大種也有水；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。
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，处于大众讨厌的位置，去充滿低洼之地，所以就接近于道了。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
在從前，古人对于水兼有养育与毁灭能力、不可捉摸的性情，产生了又爱又怕的感情，而导致了水崇拜的出现。通过赋予水以神的灵性，祈祷水给人类带来丰收和幸福。
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。
参考文献
- ^ 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. （原始内容 (PDF)存档于2011-07-26）.
- ^ Definition of Hydrol
. Merriam-Webster. [2017-12-11]. （原始内容存档于2017-08-13）.
- ^ 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. （原始内容 (HTML)存档于2012-04-03）.
- ^ 4.0 4.1 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)
- ^ 創世紀第一章
- ^ 视频：地球上的水是从哪里来的？. 优酷. [2014-11-02]. （原始内容存档于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". Meteoritics & Planetary Science, vol. 35, no. 6, pp. 1309-13
- ^ 存档副本. [2020-06-13]. （原始内容存档于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 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ 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 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ 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 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ Electrochemical synthesis of hydrogen peroxide from water and oxygen https://www.nature.com/articles/s41570-019-0110-6 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
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延伸阅读
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