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水分子

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中文名: 水 外文名: Water 别 名: 氧化氢、氧烷、一氧化二氢 化学式: H₂O 分子量: 18.0152 CAS登录号: 7732-18-5 EINECS登录号: 231-791-2 熔 点: 0 ℃ 沸 点: 100 ℃(标准大气压) 密 度: 1g/cm³,10³kg/m³（t=4℃） 外 观: 常温下无色透明液体 应 用: 溶剂、维持生命、电子工业等 比热容: 4.186kJ/(kg·℃) 临界温度: 374.3℃ 临界压力: 22.05MPa 导电率: 0.055μS/cm

水（化学式为H₂O），是由氢、氧两种元素组成的无机物，无毒，可饮用。在常温常压下为无色无味的透明液体，被称为人类生命的源泉，是维持生命的重要物质，也叫氧化氢。

水是地球上最常见的物质之一，地球表面有71%被水覆盖。它是包括无机化合、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。

纯水导电性十分微弱，属于极弱的电解质。日常生活中的水由于溶解了其他电解质而有较多的阴阳离子，才有较为明显的导电性。

水是地球上最常见的物质之一，地球有71%的表面被水覆盖。水在空气中含量虽少，但却是空气的重要组分。

物理、化学性质

水在常温下为无色、无味、无臭的液体。

水在3.98℃时密度最大（999.97kg/m³，近似计算中常取1000kg/m³）。固态水（冰）的密度（916.8kg/m³）比液态水的密度（999.84kg/m³）小，所以冰能漂浮在水面上。水结冰时，体积略有增加。

在标准大气压（101.325kPa）下，纯水的沸点为100℃，凝固点为0℃。

纯水的理论电导率为σ＝0.055μS/cm。

水的比热容大，c＝75.3 J/(mol·℃)，所以能很好地起到调节温度的作用。

水的生成焓很高，ΔfHmθ＝-285.8kJ/mol，所以热稳定性好。在2000K的高温下，其离解不足百分之一。

常温下，水的离子积常数Kw＝1.00×10-14。

水分子是极性的，即水分子的正负电荷中心不重合（见图片），这使得水成为一种很好的溶剂。

很多常见气体可以溶解在水中，如氢气、氧气、氮气、二氧化碳、惰性气体等，这些气体的溶解度与温度、压力、气相分压等因素有关。

生理意义

水是人体正常代谢所必需的物质，正常情况下身体每天要通过皮肤、内脏、肺以及肾脏排出1.5L左右的水，以保证毒素从体内排出。

儿童体内有80%的水，老人体内则有50％~60%，正常中年人体内则有70%的水。

水在机体内有许多重要功能：

（1）水是细胞原生质的重要组分；

（2）水在体内起溶媒作用，溶解多种电解质；

（3）水在体内起运输作用，可以传递营养物质、代谢废物和内分泌物质（如激素）等；

（4）水有较高热导性和比热，可作为“载热体”在体内和皮肤表面间传递热量，有助于人体调节体温。

重水

化学式D2O，又称氧化氘。1931年H.C.尤莱在把4L液氢在-259℃下缓慢蒸发到剩余数毫升，光谱分析时发现了重氢“D”，称氘。氘（deuterium）的意思是2，表示原子量等于2的氢同位素。由重氢和氧组成的化合物称重水，分子量为20.028，比普通水分子量18.016高出约11%。纯重水在1933年就已制得。普通水中所含重水很少，约占普通水质量的0.02%，自然界没有富含重水的源泉。重水在外观上和普通水相似，但许多物理性质不同，其比较见下表。

重水分子间氢键力较大，分子间范德华力也较大，所以它的熔点、沸点比水高。常温下重水的蒸气压比水小，这是水精馏法富集重水的理论根据。在25℃时重水的粘度比水大2.3%，致使许多电解质在重水中的电导率比水中小。重水的介电常数低于水，盐类在重水中的溶解度一般小些，在25℃时1g水能溶解0.3592g氯化钠，但1g重水只能溶解0.3056g；在25℃时，碘在四氯化碳和水间的分配系数是85:1，而在四氯化碳和重水间的分配系数是103:1。重水表面张力、离子积（2×10-15）数值都比水小，重水的反应速度比水的同样反应要慢些。重水有吸水的性质，和浓硫酸相像，必须将它保存在密封的容器内。

重水的主要用途是在核反应堆中做“减速剂”，减小中子速度，控制核裂变过程，也是冷却剂。重水和氘在研究化学和生理变化中是一种宝贵的示踪材料，例如，用稀重水灌溉树木，可以测知水在这些植物中每小时可运行十几米到几十米。测定饮过大量稀重水的人尿中的氘含量，知道水分子在人体中停留时间平均为14天。用氘代替普通氢，可以研究动植物消化和新陈代谢过程。浓的或纯重水不能维持动植物生命，重水对一般动植物的致死浓度为60%。

生产重水的方法很多，曾用过电解法、水精馏法等，现在利用H2S/H2O双温交换法，先把重水富集约15%后，再电解富集成99.8%，该法成本低廉。

水的起源

关于地球上水的来源有许多各不相同的认识，各有各的道理，但真相究竟如何，还有待于科学家们收集更多的客观证据，以揭开这个谜。众所周知，地球表面72%的面积被水覆盖。然而，地球上的水从哪儿来，却始终是未解之谜。

《自然》杂志载文称，德国明斯特大学的科学家通过对来自加拿大不列颠哥伦比亚省塔吉胥湖陨石和地球地幔岩石样品的同位素分析显示，水在地球上出现的时间比此前预期的要晚很多。这在很大程度上反驳了此前很多科学家所持有的“水是地球形成阶段时期由陨石表面的冰层转变而来”的说法。地球上水的起源和形成时间决定了地球演化的方向和生命起源的时间。对于地球上的水的来源，目前比较有代表性的是“外源说”和“内源说”两种说法。

外源说

顾名思义，外源说认为地球上的水来自地球外部。而外来水源的候选者之一便是彗星和富含水的小行星。被誉为“脏雪球”的彗星，其成分是水和星际尘埃，彗星撞击地球会带来大量的水。而有些富含水的小行星降落到地球上成为陨石，也含有一定量的水，一般为0.5%~5%，有的可达10%以上，其中碳质球粒陨石含水更多。

球粒陨石是太阳系中最常见的一种陨石，大约占所有陨石总数的86%。正因如此，一些科学家认为，正是彗星和小行星等地外天体撞击地球时，将其中冰封的水资源带入地球环境中。

然而，科学家研究发现，大多数彗星水的化学成分与地球水并不匹配。此外，上述德国明斯特大学科学家认为，既然陨石是在地球形成阶段就已经降落到地球的，那么应该在地球的地幔中留下相应的化学痕迹。如果水确实是在这一阶段由陨石带到地球上的，那么地幔中的同位素水平和陨石中的同位素水平应该相同，而当他们将不列颠哥伦比亚塔吉胥湖的陨石中钌同位素及地球地幔中钌同位素进行对比分析后却发现，两者的同位素水平并没有任何相似之处。

据此，德国明斯特大学科学家表示，这证明，如果水确实是由彗星或小行星带到地球上的，则其来到地球上的时间并不是地球的形成期，而是地球演化到形成地壳和地幔之后的时期。但并不排除另一种情况，即水最开始其实是星际尘埃的组成部分，而地球则正是由星际尘埃所组成的。

外来水源的另一个候选者是太阳风。太阳风是指从太阳日冕向行星际空间辐射的连续的等离子体粒子流，是典型的电离原子，由大约90%的质子（氢核）、7%的α粒子（氦核）和极少量其他元素的原子核组成。

有科学家认为，地球上的水是太阳风的杰作。首先提出这一观点的科学家是托维利。他认为，太阳风到达地球大气圈上层，带来大量的氢核、碳核、氧核等原子核，这些原子核与地球大气圈中的电子结合成氢原子、碳原子、氧原子等。再通过不同的化学反应变成水分子，据估计，在地球大气的高层，每年几乎产生1.5吨这种“宇宙水”。这种水以雨、雪的形式降落到地球上。更重要的是，地球水中的氢与氚含量之比为6700∶1，这与太阳表面的氢氚比也是十分接近的。因此托维利认为，这可以充分说明地球水来自太阳风。

但太阳风形成的水是如此之少，在地球45亿年生命史中，也不过形成了67.5亿吨水，与现今地球表面的水贮量（包括液态水、固态冰雪和气态水汽）1.3860×1010亿吨相比，不过九牛一毛。

自源说

自源说认为地球上的水来自于地球本身。地球是由原始的太阳星云气体和尘埃经过分馏、坍缩、凝聚而形成的。凝聚后的这些星子继续聚集形成行星的胚胎，然后进一步增大生长而形成原始地球。地球起源时，形成地球的物质里面就含有水。

在地球形成时温度很高，水或在高压下存在于地壳、地幔中，或以气态存在于地球大气中。后来随着温度的降低，地球大气中的水冷凝落到了地面。岩浆中的水也随着火山爆发和地质活动不断释放到大气、降落到地表。汇集到地表低洼处的水就形成了河流、湖泊、海洋。地球内部蕴含的水量是巨大的。地下深处的岩浆中含有丰富的水。有人根据地球深处岩浆的数量推测，在地球存在的45亿年内，深部岩浆释放的水量可达现代全球大洋水的一半。

还有一种说法认为在地球开始形成的最初阶段，其内部曾包含有非常丰富的氢元素，它们后来与地幔中的氧发生了反应并最终形成了水。

水岩

地球科学家倾向于认为，地球上的水来源于地球自身演化过程中的岩浆水等，天文学家更倾向于是彗星等撞击地球带来的水。目前两种观点谁都没有说服谁。

很多人似乎觉得太空中的水很稀少，实际上水在太阳系中非常丰富。例如我们的临近行星——火星，已经在其表面发现了很多干涸的河床、湖泊、三角洲、冲积扇等，这说明火星表面曾经有大量的水。现在科学家也相信，火星地下和两极可能藏有很多水。此外，一些小行星、海王星轨道之外的柯伊伯带的天体上也有大量的水存在。而在柯伊伯带以外的奥尔特云更是分布着大量的彗星，这些彗星大部分就由水组成。液态水能否存在的关键在于星球表面的温度。在地球上，由于温度通常在0℃~100℃之间，因此水才可能以液态形式存在。

有的星球如金星表面温度达到400多摄氏度，远远超过了水的沸点，所以没有液态水。有的星球如火星，表面温度达到了零下四五十摄氏度，低于水的冰点，即使有水也都冰冻了，所以也不会有很多液态水。所以水出现在地球上并非偶然，而是必然现象。地球水的“第四种形态”地球上的水绝大多数其实并不是以我们所熟知的冰、水、气三种形式存在。水还有另外一种存在形式，这种形式异乎寻常——那就是封存在岩石中的水。

可以说，这些岩石像一个巨大的水库，它的含水量至少与地球上所有河流、海洋和冰川中的水量加起来一样多，或许还是海洋水量的4倍、6倍或10倍。但它们一直被深埋在我们脚下410千米处。科学家把这种融入水的矿石称为“水合矿物质”，即“水岩”。科学家认为，这种水岩遍布地下400千米~650千米的深处，厚达240千米，比地球表面的水层还要厚。即使这种矿石的含水量只有1%，其水量也很大，实际上已相当于地球海洋水量的几倍。

水总硬度指的是水中钙离子、镁离子的总量，是衡量自来水是否符合标准的依据，主要可以分为暂时硬度和永久硬度两大类。暂时硬度是指水中的钙镁离子以碳酸盐的形式存在，遇热就会形成碳酸盐沉淀，最终被除去；而永久硬度则是指水中钙镁离子主要以硫酸盐、硝酸盐等形式存在，性质稳定，不易除去。

测定意义

水硬度是评价水质的一个重要标准，对于饮用水以及工业用水有着很重要的影响。水硬度过高可能会形成水垢，影响产品质量。因此，为确定水质以及进行水的相关处理，要对水中钙镁离子进行测定，即水总硬度的测试。

水总硬度的监测分析是水质检测的重要工作之一，不仅影响到水的质量，还会影响到人们生产以及生活的安全。在科技快速发展的今天，更多的检测技术的应用，提高了水总质量检测的准确性，保障了水质的安全以及使用质量。

解决办法

水总硬度的检测受到环境因素的影响，如果在滴定过程中发现没有出现终点色，有可能是铁离子、铜离子以及锰离子等的干扰，它们与指示剂形成更加稳定的络合物，导致EDTA不能把金属离子置换出来，就会影响水总质量的测定。

（1）铁离子

在水总硬度测试中，铁的含量过高，就会干扰到测试的结果。相应的解决办法就是要在加入缓冲溶液之前加入三乙醇胺，加快滴定速度，将铁离子屏蔽。或者也可以利用沉淀过滤的方法来除去铁离子，减少测试的误差。

（2）铜离子

在水总质量的测试中，若是水样中存在铜离子，将会出现指示剂封闭的现象，导致测试结果不清晰。相应的解决方法之一就是在加入缓冲溶液之前加入氰化钾，使之与铜离子反应从而消除铜离子的干扰，但是要注意氰化钾的剧毒性，尽量减少使用；另一种方法就是加入硫化钠，也是使其与铜离子反应，形成硫化铜沉淀，将其过滤掉。

（3）铝离子

若是水样中存在铝离子，在其作用下，可能会吸附指示剂，导致终点色出现时间延长，影响水硬度的测试。而解决办法可以参考铁离子的解决办法，使水总硬度测试顺利进行。

（4）水样总碱度

水总硬度检测中，如果水样滴定终点变蓝，但是又很快的变回紫色，则证明水的碱性很大，主要是由于钙镁离子造成的，相应的解决办法就是可以在检测之前将盐酸酸化煮沸，可以去除一定的碱性，之后需要将氢氧化钠与之融合至中性，再继续检测将会发现滴定终点颜色变化会更明显。

（5）有机物、悬浮物及胶状物质

水总硬度检测过程中如果发现水样中有机物、悬浮物质过多，就会影响其终点颜色变化的观察，影响到最终测试的结果。相应的解决办法就是将着色物用乙醚去除掉，或者是用硝酸等进行溶解，在去除多余的酸性，中和之后再进行水总硬度的检测。

我国淡水资源总量较多，但按人口、耕地平均占有水平来看，是很低的。与世界上许多国家相比，我国淡水资源问题比较严重，尽管我国河川径流总量居世界第六位，但是由于我国国土辽阔，人口众多，人均和亩均占有量均低于世界平均水平。人均占有量为世界人均占有量的1/4左右，亩均占有量仅为世界亩均占有量的3/4。据对149个国家和地区的最新统计，中国人均占有量已经退居世界110位。因此，正确处理好水及人和人及于水两方面的关系比世界上任何一个国家都艰巨复杂。

我国淡水资源在地区上分布不均，水土组合不平衡。我国的水量和径流深的分布总趋势是由东南沿海向西北内陆递减，并且与人口数耕地的分布不相适应。81%集中分布在长江及其以南地区，而耕地面积仅占全国的 36%；淮河及其以北地区耕地面积占全国 64%。

我国降水及河川的年内分配集中，年际变化大，连丰连枯年份比较突出。我国主要河流都出现过几年来水较丰和几年来水较枯现象。例如黄河在过去几十年中曾出现过连续9年（1943~1951）的丰水期；在近几十年内也曾出现过连续28年（1972~1999）的少水期，其中断流21年。降水量和径流量在时程上的这种剧烈变化，给淡水资源的利用带来困难。要充分利用淡水资源势必修建各种类型的水利。

淡水资源污染波及全国。如果从淡水资源人均占有量上说，中国缺水主要是指北方区域的话，那么，淡水资源的污染却是一个具有全国性的问题。而且，越是丰水区和大城市，越是人口密集地区，往往污染越是严重。结果丰水区出现水质性缺水的现象。这是中国淡水资源更为严重的问题。

用水效率低和过度开发并存。首先是用水效率低，而且，越是缺水的地方，效率就越低。比如，严重缺水的黄河流域，农业灌溉大量采用的还是大漫灌方式。农业用水如此，工业用水也是如此。目前中国工业用水重复利用率远低于先进国家75%的水平单位GDP用水量是先进国家的十几倍到几十倍，一些重要产品单位耗水量也比国外先进水平高几倍，甚至几十倍。

对淡水资源过度开采的情况日趋严重。比如海河流域，海河流域是中国人口最密集的地区之一，包括北京、天津、河北大部分地区和山东、山西、内蒙、河南部分地区，区域内有26个大中城市。这个地区也是中国最为缺水的地区，人均只有293立方米。这些年来，这里的社会经济的状况发生了很大变化。从20世纪80年代以来，中国的缺水现象由局部逐渐蔓延至全国，对农业和国民经济带来了严重影响。

南水北调

中国闹水荒，主要是指北方。特别是近20年来的自然变化和人类活动的影响，淡水资源南多北少的趋势更加严重。这种由自然、地理、气象等因素所形成的淡水资源分布情况，单用软科学的办法是很难解决问题的。必须用硬办法。正在进行中的南水北调工程，就是硬办法之一。

优化水资源配置

优化资源配置主要包括两个方面的内容，其一是解决我国水资源分布不平衡，利用效率低的问题。当前我国政府已经采取了有效的措施，实现了水资源的优化配置。以南水北调工程为例，作为一项重大的战略性工程，有效缓解了我国北方地区缺水严重的现象，不但实现了水资源的优化配置，还对区域经济的良性发展产生了十分深远的影响。其二是要合理分配地表水和地下水、一次性水资源和可再生水资源。政府要加强对分配后水资源的管理，通过市场的调节作用提高水资源利用率，避免水资源浪费。

水资源的循环利用

长期以来，我国对水资源的利用采用了粗放式的模式，造成了水资源的大量浪费。以牺牲资源为目的的经济发展模式虽然能够在短时期内取得可观的经济效益，但从长远发展来看无疑是慢性自杀，违背了我国可持续发展战略的要求。在未来的发展中，我国将会在全社会提倡水资源的循环利用，并加快相关技术的研发，通过对废水进行二次处理、重复利用达到提高水资源利用效率的目的，从而逐步打破水资源匮乏的发展态势，为我国经济社会的健康发展解决后顾之忧。

水资源生态防治

从目前的发展情况来看，水污染仍然是威胁我国水资源可持续发展的重要因素，在未来的发展中，水资源生态防治仍然是相关从业者的首要任务。水资源生态防治，不仅包括水污染治理，还包括提高环境用水承载能力、水资源保护、节约用水等多个方面。水资源生态防治是一个系统的工程，不仅需要专业人员的努力，还需要全社会的密切配合。比如，排污量大的工厂要自觉的进行技术改进，最大限度的控制工业用水的排放量。政府要加大监督管理制度，防止污水排放超出环境的承载能力；在全社会大力倡导节约用水，培养民众节约用水的意识；做好水资源保护，防止人类生产生活用水对水资源造成破坏。

水体的自净机制有物理净化、化学净化和生物净化三种。水体自净的三种机制往往同时发生，并相互交织在一起，哪一方面起主导作用取决于污染物性质和水体的水文学和生物学特征。水体污染恶化过程和水体自净过程是同时产生和存在的，但在某一水体的部分区域或一定的时间内，这两种过程总有一种过程是相对主要的，它决定着水体污染的总特征。所以，当污染物排入清洁水体之后，水体一般会呈现出三个不同水质区：水质恶化区、水质恢复区和水质清洁区。

参考来源

水分子是如何运动的？低温与高温也有差别，其中的原理你懂吗？