基本介紹
- 中文名：水
- 外文名：Water
- 別名：氧化氫、氧烷、一氧化二氫
- 化學式：H2O
- 分子量：18.0152
- CAS登錄號：7732-18-5
- EINECS登錄號：231-791-2
- 熔點：0 ℃
- 沸點：100 ℃(標準大氣壓)
- 密度：1g/cm,10kg/m（t=4℃）
- 外觀：常溫下無色透明液體
- 套用：溶劑、維持生命、電子工業等
- 比熱容：4.186kJ/(kg·℃)
- 臨界溫度：374.3℃
- 臨界壓力：22.05MPa
- 導電率：0.055μS/cm
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研究簡史
關於地球上水的來源有許多各不相同的認識，各有各的道理，但真相究竟如何，還有待於科學家們收集更多的客觀證據，以揭開這個謎。眾所周知，地球表面72%的面積被水覆蓋。然而，地球上的水從哪兒來，卻始終是未解之謎。
《自然》雜誌載文稱，德國明斯特大學的科學家通過對來自加拿大不列顛哥倫比亞省塔吉胥湖隕石和地球地幔岩石樣品的同位素分析顯示，水在地球上出現的時間比此前預期的要晚很多。這在很大程度上反駁了此前很多科學家所持有的“水是地球形成階段時期由隕石表面的冰層轉變而來”的說法。地球上水的起源和形成時間決定了地球演化的方向和生命起源的時間。對於地球上的水的來源，目前比較有代表性的是“外源說”和“內源說”兩種說法。
直到18世紀70年代，人們還將水當作一種元素。此後，經過Cavendish特別是Lavoisier的工作，才確認水是一種化合物，而且證實了水是由氫和氧兩種元素組成的。
1805年，經過Gay-Lussac和Humbolt的定量研究，進一步確定了氫和氧按二比一的比例相化合，水的組成一H2O已被初步確立。
2022年9月，中國科學院地球化學研究所科研團隊針對嫦娥五號月壤樣品開展了研究，通過紅外光譜和納米離子探針分析，發現嫦娥五號礦物表層中存在大量的太陽風成因水，估算出太陽風質子注入為嫦娥五號月壤貢獻的水含量至少為170ppm。該研究成果在國際學術期刊《自然·通訊》發表。
理化性質
物理性質
雖然水是許多物理常數的標準，但是它本身卻具有一些特殊的物理性質。和絕大多數物質凝固時體積縮小、密度增大的情況不同，水結冰時體積變大，密度減小；和絕大多數物質的密度隨著溫度的降低而增大的情況不同，水的密度在277.14K時有一個最大值；在所有固態和液態物質中，水的比熱容最大；水的分子量雖然不大，但其沸點和蒸發熱卻相當高；同族同類型化合物的沸點及凝固點一般皆隨分子量的增加而增高，而水與其同族分子量比它大的同類物的沸點及凝固點還要高；在眾多的物質中，水的介電常數特別大，因此也是特別優良的極性溶劑。所有這些“反常”現象，都同水能形成氫鍵並發生締合作用密切相關。
水分子的結構示意圖
在沒有空氣存在和小於飽和蒸氣壓力的條件下於石英毛細管內冷凝水蒸氣，可以得到比普通水更濃、更黏、較難揮發和熱膨脹係數較高的所謂“反常水”或“多聚水”。這種反常水的結構甚至是組成都是未確定的。至於其反常性質，經研究幾乎可以確信，是由於雜質存在引起的，而純的“反常”水並不存在。
水分子的結構
化學性質
- 熱穩定性
由於水具有很大的生成熱，因而水必然是一個很穩定的化合物。實際上，水在3000K的高溫下，也只有11.1%的分解率，而且反應是可逆的。
顯然，水在離解時要吸收大量的熱。在1000K和202.65kPa時，2摩爾氣態水分解成H2和O2需要吸收495.8kJ的熱；在3000K時，則需要572.04kJ。
製備方法
- 蒸餾法
通常，先將普通水蒸發成蒸氣、再將水蒸氣冷凝，即得純淨的蒸餾水。這時，水中的可溶性鹽由於不能揮發而留在剩餘的水中；但一些氣體和揮發性物質，則可能仍存於冷凝水中，若使水蒸氣一部分冷凝，一部分任其逸去，則溶解於水中的氣體和揮發性物質即隨逸出的部分而被除去。
欲得更純淨的水，可在普通蒸餾水中加入KMnO4和Ba（OH）2後再行蒸餾，即能除去其中微量的有機物和揮發性的酸性氧化物（如CO2）；然後於所得的蒸餾水內加入非揮發性的酸（如H2SO4或H3PO4）再行蒸餾，又可除去NH3等揮發性鹼。因蒸氣在空氣中冷凝還可能有氣體溶入水內，故最後蒸餾需在真空中進行，鑒於這種水的純度已不能用一般化學方法檢驗，而常用比電導來衡量，所以叫做電導水；其比電導常為10S/cm。因為玻璃中的鈉鹽及其他雜質會緩慢溶於水中而降低電導水的純度，所以常用石英（或錫或銀）制器皿或塑膠容器來保存電導水。
- 離子交換法
電導水的純度雖高，僅宜於小型製備，難於大量生產。套用人工合成的離子交換樹脂可以大量製取高純度的水。如果首先讓水通過陽離子交換樹脂（例如RSO3H），那么水中的所有陽離子就會同離子交換樹脂中的H離子發生交換反應。
套用領域
水有許多不同的用途，包括但不限於以下幾個方面：
- 飲用水：水是人類最基本的生存需求之一。我們需要水來滿足日常飲水需求，保持身體健康和正常的生理功能。
- 農業用水：水是農業生產的重要資源之一。用於農作物的灌溉、農田的排水、養殖業的畜牧、溫室中的植物生長等，水對於農業的發展和糧食生產至關重要。
- 工業用水：許多工業過程需要大量的水，例如製造、冷卻、清洗、潤滑和化學反應等。工業用水廣泛套用於製造業、能源生產、化工、紡織、製藥等各個行業。
- 商業用水：商業場所需要水來滿足辦公、商店、餐飲和娛樂場所的日常活動需求，例如供應給員工和顧客的飲用水、清潔用水、廁所沖洗等。
- 發電和能源生產：水可以用於發電廠中的水力發電過程，通過水流驅動渦輪發電機產生電力。此外，水還可以用作核能和火力發電中的冷卻劑。
- 衛生與清潔：水被用於個人衛生，包括洗手、洗澡、刷牙和洗衣服等。此外，水還被用於清潔家居、公共設施、道路和車輛等。
- 生態系統維持：水是維持濕地、河流、湖泊和海洋等生態系統的基礎和支撐。水提供了許多生物的棲息地和食物鏈中的重要角色。
生理意義
水在機體內有許多重要功能：
（1）水是細胞原生質的重要組分；
（2）水在體內起溶媒作用，溶解多種電解質；
（3）水在體內起運輸作用，可以傳遞營養物質、代謝廢物和內分泌物質（如激素）等；
（4）水有較高熱導性和比熱，可作為“載熱體”在體內和皮膚表面間傳遞熱量，有助於人體調節體溫。
