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水，別名是氧化氫、一氧化二氫、氧化二氫，是由氫、氧兩種元素組成的無機物，常溫常壓下呈無色無味的透明液體，無毒，可飲用。水是地球上最常見的物質(zhì)之一，是包括人類在內(nèi)所有生命生存的重要資源，也是生物體最重要的組成部分，在生命演化中起到了重要的作用，因此被譽為生命之源。地球表面約有71%被水覆蓋，1它在空氣中含量雖少，但卻是空氣的重要組成部分。水是一種狹義不可再生，廣義可再生資源。2

自然界中水的水有三種狀態(tài)，分別為：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。但是水卻不止僅有三態(tài)，還包括：超臨界流體、超固體、超流體、費米子凝聚態(tài)、等離子態(tài)、玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)等等。

純水導(dǎo)電性十分微弱，屬于極弱的電解質(zhì)。但日常生活中的水通常有較為明顯的導(dǎo)電性是因為其中溶解了其它電解質(zhì)而產(chǎn)生的電離作用。

認識過程

在人類文明的早期，人們開始探討世界各種事物的組成或者分類，很早就開始對水產(chǎn)生了認識，古代西方提出的四元素說中就有水；佛教中也認為地、水、火、風(fēng)是構(gòu)成物質(zhì)的基本元素；中國古代的五行學(xué)說中水代表了所有的液體，以及具有流動、潤濕、陰柔性質(zhì)的事物。圣經(jīng)創(chuàng)世紀(jì)中也認為水是神創(chuàng)造萬物之前就存在的元素。在很長的一段時間里，東西方古代樸素的物質(zhì)觀中都把水視為一種基本的組成元素，直到1781年，普里斯特里點燃“易燃空氣”和空氣的混合氣，發(fā)現(xiàn)瓶壁有水珠。卡文迪許又用純氧代替空氣重復(fù)這一實驗，證實“易燃空氣”燃燒產(chǎn)生水，“易燃空氣”是指氫氣?？上苠e誤觀念影響，這兩位科學(xué)家仍認為水是一種元素。1782年，拉瓦錫將水蒸氣通過灼熱的鐵管，收集到“易燃空氣”和黑色固體（四氧化三鐵），因此他認為水不是一種元素。

1805年，經(jīng)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，至此，水的化學(xué)組成為H2O被初步確立。

目前根據(jù)IUPAC規(guī)定，H2O分子的正式名稱只有兩種：水（Water）與氧烷（Oxidane）。民間根據(jù)其化學(xué)式，給水起了以下別稱：氧化氫、一氧化二氫；類比VIA族與VIIA族其它化合物命名規(guī)律：氫氧酸、酸式氧；類比金屬氫氧化物（堿）命名規(guī)律：氫氧化氫、苛性氫、羥基氫、堿式氫等。

理化性質(zhì)

物理性質(zhì)

水在常溫常壓下為無色無味的透明液體。水的三相點是273.16 K（611.73 Pa下），臨界點是647 K（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(jié)成液相。水是一種可以在液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)之間轉(zhuǎn)化的物質(zhì)。在20℃時，水的熱導(dǎo)率為0.006J/s?cm?K，冰的熱導(dǎo)率為0.023J/s?cm?K。水的密度在3.98℃時最大，為1×103 kg/m3，溫度高于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(guī)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75.817J/mol/K，在20℃時，水的定壓摩爾熱容為75.165 J/mol/K，在100℃時，水的定壓摩爾熱容為75.541 J/mol/K。具有很大的內(nèi)聚力和表面張力，除汞以外，水的表面張力最大，并能產(chǎn)生較明顯的毛細現(xiàn)象和吸附現(xiàn)象。純水有極微弱的導(dǎo)電能力，但普通的水因含有少量電解質(zhì)（如礦物質(zhì)、溶解大氣中二氧化碳形成的碳酸）而有較強的導(dǎo)電能力。8

日常生活中的水可分為軟水和硬水，溶有較多可溶性鈣、鎂和鐵鹽的水叫做硬水。水中含有的Ca2+，Mg2+等離子的總濃度稱為硬度。GPG為水硬度單位，1GPG表示1加侖水中硬度離子（鈣鎂離子）含量為1格令。按美國WQA（水質(zhì)量協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)，水的硬度分為6級：0~0.5GPG為軟水，0.5~3.5GPG為微硬，3.5~7.0GPG為中硬，7~10.5GPG為硬水，10.5~14.0GPG為很硬，14.0GPG以上為極硬。含有HCO3?的水稱為暫時硬水，加熱時碳酸氫根離子分解使得鈣鎂離子沉淀而軟化。含有Cl?，SO42?的水不能通過加熱軟化，稱為永久硬水?？梢杂梅试硭畞韰^(qū)分軟硬度，通過煮沸的方式可以使硬水變軟。

水分子不是完美的球形，其分子模型如圖所示，從其旋轉(zhuǎn)中心測定得到的直徑為0.312nm，平均范德華直徑約為0.28nm。

化學(xué)性質(zhì)

化學(xué)式：H?O

結(jié)構(gòu)式：H—O—H（兩氫氧鍵間夾角104.5°）。

分子構(gòu)成：水是由氫氧兩種元素組成，兩個氫原子一個氧原子形成V字型結(jié)構(gòu)。常溫常壓下，氣態(tài)自由水分子氫氧鍵的鍵長為0.9527×10-10米，兩個氫氧鍵之間的夾角為104.52°。

水具有以下化學(xué)性質(zhì)：

1. 穩(wěn)定性：在2000℃以上才開始分解。

水的電離：純水中存在下列電離平衡：H?O?H?+OH?或H?O+H?O?H?O?+OH?。

注：“H?O?”為水合氫離子，為了簡便，常常簡寫成H?，更準(zhǔn)確的說法為H9O4?，常溫下純水中氫離子物質(zhì)的量濃度為10?? mol/L。

2. 氧化性：水跟較活潑金屬或碳反應(yīng)時，表現(xiàn)氧化性，氫被還原成氫氣。

2Na+2H?O=2NaOH+H?↑

Mg+2H?O=Mg（OH）?↓+H?↑

3Fe+4H?O（水蒸氣）=Fe?O?+4H?↑（加熱）

C+H?O=CO+H?↑（高溫）

3. 還原性：水跟氟單質(zhì)反應(yīng)時，表現(xiàn)還原性，氧被氧化成氧氣

2F?+2H?O=4HF+O?↑。

4. 水的電解：水在直流電作用下，分解生成氫氣和氧氣，工業(yè)上用此法制純氫和純氧，電解水也是一種電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的一種有用方法。

2H?O（通電）=2H?↑+O?↑。

5. 水化反應(yīng)：水可跟活潑金屬的堿性氧化物、大多數(shù)酸性氧化物以及某些不飽和烴發(fā)生水化反應(yīng)。

Na?O+H?O=2NaOH

CaO+H?O=Ca（OH）?

SO?+H?O=H?SO?

P?O?+3H?O=2H?PO?

CH?=CH?+H?O?C?H?OH

6.水解反應(yīng)

鹽的水解、氮化物水解：

Mg?N?+6H?O（加熱）=3Mg（OH）?↓+2NH?↑

NaAlO?+HCl+H?O=Al（OH）?↓+NaCl（NaCl少量）

碳化鈣水解：

CaC?（電石）+2H?O（飽和氯化鈉）=Ca（OH）?+C?H?↑

鹵代烴水解：

C?H?Br+H?O（加熱下的氫氧化鈉溶液）?C?H?OH+HBr

醇鈉水解：

C?H?ONa+H?O→C?H?OH+NaOH

酯類水解：

CH?COOC?H?+H?O（銅或銀催化并且加熱）?CH?COOH+C?H?OH

多糖水解：（C?H??O?）n+nH?O?nC?H??O?

丙腈水解：CH?CH?CN+H?O→CH?CH?C（OH）NH→CH?CH?C（OH）NH+H?O→CH?CH?C（OH）?NH?→CH?CH?CONH?+H?O→CH?CH?COOH+NH?

酰胺水解：—CO—NH—+H?O→—COOH+NH?—

6. 兩性：既有氫離子（H?），也有氫氧根離子（OH?）。但純凈蒸餾水是中性的。

7. pH值：水在25 ℃下pH值為7（中性），隨著溫度的變化仍為中性。

制備方法

城市的自來水作為原水雖然已經(jīng)達到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，但仍殘留少量的懸浮顆粒、有機物和殘余氯、鈣、鎂等離子，為了把這些雜質(zhì)除去，需要對原水進行前處理以去除原水中的懸浮物、膠體、微生物；降低原水中過高的濁度和硬度。前處理技術(shù)通常包括多介質(zhì)過濾、活性炭過濾、軟化處理、精密過濾和保安過濾等步驟。18

多介質(zhì)過濾

多介質(zhì)過濾器使用前要進行反洗和正洗，運行時多介質(zhì)過濾器內(nèi)必須完全充滿水。多介質(zhì)過濾器每運行2天，需反洗1—2次（先反洗后正洗，正洗完畢后再運行）。18

活性炭過濾

活性炭過濾器用前要進行反洗和正洗，運行時活性炭過濾器內(nèi)必須完全充滿水。活性炭過濾器每運行2天，需反洗、正洗1—2次（先反洗后正洗）。因復(fù)合膜不耐余氯，活性炭過濾器是為除余氯而設(shè)，因此，絕不能使未經(jīng)過活性炭過濾器的水進入反滲透膜，否則膜的損壞無法恢復(fù)。18

軟化處理

軟化法是利用離子交換樹脂與水中的鈣鎂離子進行交換，將水中的鈣鎂離子去除。軟化器能自動完成反洗、再洗、沖洗、運行工作。18

精密過濾

是采用3—5μm 的精密濾芯，濾出5μm以上的粒子。精密過濾器的濾芯一般90天或每個過濾器的壓力下降大于0.1MPa時更換或清洗一次。18

保安過濾

一般情況下保安過濾器放置在石英砂、活性炭、樹脂等之后，是去除大顆粒雜質(zhì)的最后保障，以防止反滲透膜被損壞。從廣義上講，精密過濾器也屬于保安過濾器。保安過濾器的濾芯一般90天或每個過濾器的壓力下降大于0.1MPa時更換或清洗一次。濾芯的清洗方法為3%—5%NaOH泡12小時以上，沖洗干凈，再用3%—5%HCI泡12小時以上，沖洗干凈，晾干待用。18

應(yīng)用領(lǐng)域

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。

工業(yè)用途

許多工業(yè)過程需要大量的水，例如制造、冷卻、清洗、潤滑和化學(xué)反應(yīng)等。工業(yè)用水廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、能源生產(chǎn)、化工、紡織、制藥等各個行業(yè)。

水可以用于發(fā)電廠中的水力發(fā)電過程，通過水流驅(qū)動渦輪發(fā)電機產(chǎn)生電力。此外，水還可以用作核能和火力發(fā)電中的冷卻劑。

農(nóng)業(yè)用途

水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的資源之一。用于農(nóng)作物的灌溉、農(nóng)田的排水、養(yǎng)殖業(yè)的畜牧、溫室中的植物生長等，水對于農(nóng)業(yè)的發(fā)展和糧食生產(chǎn)至關(guān)。

商業(yè)用途

商業(yè)場所需要水來滿足辦公、商店、餐飲和娛樂場所的日?；顒有枨螅绻?yīng)給員工和顧客的飲用水、清潔用水、廁所沖洗等。

衛(wèi)生清潔

水被用于個人衛(wèi)生，包括洗手、洗澡、刷牙和洗衣服等。此外，水還被用于清潔家居、公共設(shè)施、道路和車輛等。

生態(tài)系統(tǒng)

水是維持濕地、河流、湖泊和海洋等生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和支撐。水提供了許多生物的棲息地和食物鏈中的角色。

醫(yī)療用途

水也是藥品生產(chǎn)不可缺少的原輔材料。其在藥物生產(chǎn)中用量大、使用廣，用于生產(chǎn)過程及藥物制劑的制備過程。制藥工業(yè)中所用的水，特別是用來制造藥物產(chǎn)品的水的質(zhì)量，直接影響藥物產(chǎn)品的質(zhì)量。制藥用水的原水通常為飲用水。制藥用水的制備從系統(tǒng)設(shè)計、材質(zhì)選擇、制備過程、貯存、分配和使用均應(yīng)符合藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范的要求。18

分布情況

地球是太陽系八大行星之中唯一由液態(tài)水所覆蓋的星球。地球表層水體構(gòu)成了水圈，包括海洋、河流、湖泊、沼澤、冰川、積雪、地下水和大氣中的水。由于注入海洋的水帶有一定的鹽分，加上常年的積累和蒸發(fā)作用，海和大洋里的水都是咸水，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。歐亞大陸上的里海是最大的咸水湖。

地球上水的體積大約有13.6億立方千米。其中:

·海洋占1，320，000，000立方千米（即97.1%）；

·冰川和冰蓋占25，000，000立方千米（即1.8%）；

·地下水占13，000，000立方千米（即1.0%）；

·河流、湖泊以及內(nèi)陸海里的淡水占250，000立方千米（即0.0018%）；

·大氣中的水蒸氣在任何已知的時候都占13，000立方千米（即0.0001%）。

在銀河系星云中被探明存在水，由于氫和氧是構(gòu)成宇宙的主要元素，科學(xué)家認為其他星系中依然存在大量水。

星云塵埃凝聚，形成各種彗星、行星、矮行星及其衛(wèi)星，水也在這些天體上。在太陽系中，水以固體形式存在于以下天體:

·月球

·水星、火星、海王星、冥王星

·天然衛(wèi)星、如海衛(wèi)一、木衛(wèi)二目前尚只在地球上發(fā)現(xiàn)液態(tài)形式的水?？茖W(xué)家預(yù)測液態(tài)水也極有可能存在于土衛(wèi)二的表面。

中國淡水總量在2.8萬億立方米左右，在全球范圍內(nèi)總淡水資源中占據(jù)約6%，人均淡水量僅占全球人均淡水量的25%，是現(xiàn)階段全球人均淡水量最少的國家之一。中國水資源在空間分布上呈東南多，西北少的趨勢。長江以北各水系流域面積占全國國土面積的63.5%，而水資源僅占全國總量的19%；長江以南各水系流域面積占全國國土面積的36.5%，而水資源卻占全國總量的81%。1011

水污染及其分類

水的污染有兩類：一類是自然污染；另一類是人為污染。當(dāng)前對水體危害較大的是人為污染。13水污染可根據(jù)污染雜質(zhì)的不同而主要分為化學(xué)性污染、物理性污染和生物性污染三大類：

化學(xué)性污染

污染雜質(zhì)為化學(xué)物品而造成的水體污染?；瘜W(xué)性污染根據(jù)具體污染雜質(zhì)可分為6類：

（1）無機污染物質(zhì)：污染水體的無機污染物質(zhì)有酸、堿和一些無機鹽類。酸堿污染使水體的pH值發(fā)生變化，妨礙水體自凈作用，還會腐蝕船舶和水下建筑物，影響漁業(yè)。

（2）無機有毒物質(zhì)：污染水體的無機有毒物質(zhì)主要是重金屬等有潛在長期影響的物質(zhì)，主要有汞、鎘、鉛、砷等元素。

（3）有機有毒物質(zhì)：污染水體的有機有毒物質(zhì)主要是各種有機農(nóng)藥、多環(huán)芳烴、芳香烴等。它們大多是人工合成的物質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，很難被生物所分解。

（4）需氧污染物質(zhì)：生活污水和某些工業(yè)廢水中所含的碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪和酚、醇等有機物質(zhì)可在微生物的作用下進行分解。在分解過程中需要大量氧氣，故稱之為需氧污染物質(zhì)。

（5）植物營養(yǎng)物質(zhì)：主要是生活與工業(yè)污水中的含氮、磷等植物營養(yǎng)物質(zhì)，以及農(nóng)田排水中殘余的氮和磷。

（6）油類污染物質(zhì)：主要指石油對水體的污染，尤其海洋采油和油輪事故污染最甚。

物理性污染

物理性污染包括：

（1）懸浮物質(zhì)污染：懸浮物質(zhì)是指水中含有的不溶性物質(zhì)，包括固體物質(zhì)和泡沫塑料等。它們是由生活污水、垃圾和采礦、采石、建筑、食品加工、造紙等產(chǎn)生的廢物泄入水中或農(nóng)田的水土流失所引起的。懸浮物質(zhì)影響水體外觀，妨礙水中植物的光合作用，減少氧氣的溶入，對水生生物不利。

（2）熱污染：來自各種工業(yè)過程的冷卻水，若不采取措施，直接排入水體，可能引起水溫升高、溶解氧含量降低、水中存在的某些有毒物質(zhì)的毒性增加等現(xiàn)象，從而危及魚類和水生生物的生長。

（3）放射性污染：由于原子能工業(yè)的發(fā)展，放射性礦藏的開采，核試驗和核電站的建立以及同位素在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、研究等領(lǐng)域的應(yīng)用，使放射性廢水、廢物顯著增加，造成一定的放射性污染。

生物性污染

生活污水，特別是醫(yī)院污水和某些工業(yè)廢水污染水體后，往往可以帶入一些病原微生物。例如某些原來存在于人畜腸道中的病原細菌，如傷寒、副傷寒、霍亂細菌等都可以通過人畜糞便的污染而進入水體，隨水流動而傳播。一些病毒，如肝炎病毒、腺病毒等也常在污染水中發(fā)現(xiàn)。某些寄生蟲病，如阿米巴痢疾、血吸蟲病、鉤端螺旋體病等也可通過水進行傳播。由此看見保護我們的地球環(huán)境，防止工業(yè)污染和病原微生物對水體的污染也是保護環(huán)境，更是保障人體健康的一大課題。

污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。換而言之，生物若飲用潔凈的水，可保持健康促進循環(huán)。因此避免水污染在全球是個的議題。為了解決這一問題，污水處理等水污染控制措施就變得十分必要。

意義與影響

對氣候

水對氣候具有調(diào)節(jié)作用，大氣中的水汽能吸收太陽輻射到地面能量的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，海洋和陸地水體在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的影響。海洋和地表中的水蒸發(fā)到天空中形成了云，云中的水通過降水落下來變成雨，零度以下則變成雪。由于不同的條件，水還會以冰雹、霧、露水、霜等形態(tài)出現(xiàn)并影響氣候和人類的活動。

對地形

水覆蓋71%地球表面，從空中來看，地球是藍色星球。水侵蝕巖石土壤，沖淤河道，夾帶泥沙，營造平原，改變地表形態(tài)。

對生物

大部分學(xué)說認為，地球上的生命最初是在水中出現(xiàn)的。水中生活著大量的水生植被等水生生物。

水是所有生物體的組成部分。人體中水占70%；而水母中98%都是水。在生物體中，水是一種緩沖的溶液，利用解離出的氫氧基（OH-）以及質(zhì)子（H+）可以將外來少量的強酸或強堿中和，如此可確保細胞中的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性，而對酵素而言，在酵素的結(jié)構(gòu)上需要維持一定的結(jié)構(gòu)才具有活性。而經(jīng)由上述案例可說明在生物體內(nèi)需要利用水的化學(xué)及物理性質(zhì)才可維持生物體結(jié)構(gòu)（細胞形狀）及機能（如酵素活性）上的穩(wěn)定。水有利部分生物化學(xué)反應(yīng)，維持其生理能，如動物的消化作用及植物的光合作用。在生物體內(nèi)還起到運輸物質(zhì)的作用如血液中的血漿絕大部分都是水，有助于體內(nèi)營養(yǎng)及氧的傳輸。由于水可以透過蒸發(fā)而降低溫度，因此水對于維持生物體溫度的穩(wěn)定起很大作用，如動物的汗液及植物的蒸騰作用。一般來說植物的生長需要水分，水（與二氧化碳）作為原料參與了光合作用，且在植物的呼吸作用中作為產(chǎn)物。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(jié)構(gòu)，在植物專門運送水分的導(dǎo)管中形成氫鍵使水分子不會受到引力作用而掉落至導(dǎo)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于水的物理性質(zhì)。

水的氫鍵使水成為特優(yōu)的吸熱能力，水將大部分所吸收的熱，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°C時，大約是4200J?kg-1K-1，比其它液體普遍較高。因為有此項特質(zhì)，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劇變化而有致命的危險。

對人類

水是人類生活的資源，一天必需攝取2~3升的水，并提供人們?nèi)粘Ｉ钣盟凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，特別是農(nóng)業(yè)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，水對于人類各方面的作用不可或缺。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們興修水利，與水澇害和洪水等自然災(zāi)害作斗爭。因此衍生出一些專門與水有關(guān)的研究領(lǐng)域，如水力學(xué)，水文科學(xué)，水處理等，甚而產(chǎn)生了以水為生的產(chǎn)業(yè)水產(chǎn)業(yè)。

科普中國-水