水的分子結構、性質和用途

一、水分子的結構

化學式：H?O

分子構成：氫原子、氧原子。

結構式：H—O—H（兩氫氧鍵間夾角104.5°）。

相對分子質量： 18.016

極性分子：因為水分子的中心原子是氧原子，它的雜化方式是sp3雜化，空間幾何構型本來是正四面體，但是因為這四個方向被兩個孤對電子占據了，導致整個分子鍵與鍵之間形成的夾角不一樣，孤對電子—孤對電子〉孤對電子—成鍵電子〉成鍵電子—成鍵電子。所以水分子中兩個O-H鍵之間的夾角不是180度，因此水分子是不對稱的極性分子。

根據IUPAC規定，H?O分子的正式名稱只有兩種：水(Water)與氧烷(Oxidane)。

根據其化學組成，人們又給水以下別稱：

根據化學式：氧化氫和一氧化二氫；

類比VIA族與VIIA族其它化合物命名規律：氫氧酸、酸式氧；

類比金屬氫氧化物（堿）命名規律：氫氧化氫、苛性氫、羥基氫、堿式氫。

上述名稱雖各不相同，但描述的都是同一種物質——水。

雖然可以根據水的化學式得到以上讀法，但是只有IUPAC規定的“水”與“氧烷”是正式名稱，其它名稱都不能在正式科學場合使用。在“水”的前面加上定語，可以用來區分特殊種類的水，比如蒸餾水、去離子水或重水。

二、水的性質

⒈ 物理性質

⑴ 性狀：純凈的水在常溫常壓下為無色、無味的透明液體。

⑵ 密度：1.0×103 kg/m3（4℃時）。冰的密度比水小

⑶ 熔點（oC）：0

⑷ 沸點：100℃（海拔為0m，氣壓為一個標準大氣壓）。

⑸ 折射率（20oC）：1.33298

⑹ 沸點（760mm汞柱）：100oC

⑺ 運動黏度（mm2/s，20oC）：1.0019

⑻ 蒸發熱（KJ/mol）：44.23

⑼ 熔化熱（KJ/mol）：6.01

⑽ 生成熱（KJ/mol，25oC）（氣體）：-241.99；（液體）：-286.02

⑾ 比熱容（KJ/(kg·K)，20oC，定壓）：4.18

⑿ 蒸氣壓（kPa，20oC）：2.34

⒀ 臨界溫度（oC）：374.2

⒁ 臨界壓力（MPa）：22.1

⒂ 沸點上升常數：0.515

⒃ 電導率（S/m，25oC）：5.89×10^-8

⒄ 熱導率（W/(m·K)，30oC）：0.62802

⒅ 體膨脹系數（K-1，20oC）：0.000207

⒆ 溶解性：水對各種物質都具有親和性。

⒇浮力分類：懸浮、漂浮、沉底、上浮、下沉。

有的水可以導電，但是蒸餾水（純水，電解物質只有氫原子和氧原子）是不會導電的。

水密度的變化：

水的密度在3.98℃時最大，為1.0×103kg/m3，溫度高于3.98℃時（也可以忽略為4℃），水的密度隨溫度升高而減小，在0～3.98℃時，水熱縮冷漲，密度隨溫度的升高而增加。

原因：主要由分子排列決定。也可以說由氫鍵導致。由于水分子有很強的極性，能通過氫鍵結合成締合分子。液態水，除含有簡單的水分子(H?O)外，同時還含有締合分子(H?O)?和(H?O)?等，當溫度在0℃水未結冰時，大多數水分子是以(H?O)?的締合分子存在，當溫度升高到3.98℃（101kPa）時水分子多以(H?O)?締合分子形式存在，分子占據空間相對減小，此時水的密度最大。

如果溫度再繼續升高在3.98℃以上，一般物質熱脹冷縮的規律即占主導地位了。水溫降到0℃時，水結成冰，水結冰時幾乎全部分子締合在一起成為一個巨大的締合分子，在冰中水分子的排布是每一個氧原子有四個氫原子為近鄰兩個氫鍵這種排布導致形成一種敞開結構，冰的結構中有較大的空隙，所以冰的密度反比同溫度的水小。

⒉ 化學性質：

⑴ 穩定性：在2000℃以上才開始分解。

水的電離：水本身部分發生電離，純水中存在下列電離平衡：H?O?H?＋OH?

或 H?O＋H?O?H?O?＋OH?。

［H+］［OH-］＝K［H?O］＝Kw。Kw為水的離子積，22℃時為1.00×10-14。

在水中，幾乎沒有水分子電離生成離子。

水中氫離子濃度的負對數值稱為pH值，pH＝7為中性，7以下為酸性，7以上為堿性。

由于僅有一小部分的水分子發生上述反應，所以純水的pH值十分接近7。

⑵ 水的氧化性：水跟較活潑金屬或碳反應時，表現氧化性，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）

⑶ 水的電解：

水在直流電作用下，分解生成氫氣和氧氣，工業上用此法制純氫和純氧

2H?O=通電=2H?↑＋O?↑（分解反應）

⑷ 水化反應：

水可跟活潑金屬的堿性氧化物、大多數酸性氧化物以及某些不飽和烴發生水化反應。

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

⑸ 水解反應

鹽的水解：NaAlO?＋HCl＋H?O＝Al(OH)?↓＋NaCl（NaCl少量）

氮化物水解：Mg?N?＋6H?O=(加熱)=3Mg(OH)?↓＋2NH?↑

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（銅或銀并且加熱）?CH?COOH＋C?H?OH

多糖水解：（C?H??O?）n＋nH?O?nC?H??O?

⑹ 水分子的直徑數量級為10的負十次方，一般認為水的直徑為2～3個此單位。

⑺ 水是兩性物質，既有氫離子（H?），也有氫氧根離子（OH?）。但純凈蒸餾水是中性的。

⑻ 水的硬度：

水的硬度最初是指鈣、鎂離子沉淀肥皂的能力。我們將水中這些金屬離子的總濃度稱為水的硬度。如在天然水中最常見的金屬離子是鈣離子（Ca2+）和鎂離子（Mg2+），它與水中的陰離子如碳酸根離子（CO32-）、碳酸氫根離子（HCO3-）、硫酸根離子（SO42-）、氯離子（Cl-）、以及硝酸根離子（NO3-）等結合在一起，形成鈣鎂的碳酸鹽、碳酸氫鹽、硫酸鹽、氯化物、以及硝酸鹽等硬度。水中的鐵、錳等金屬離子也會形成硬度，但由于它們在天然水中的含量很少，可以略去不計。因此，通常就把Ca2+、Mg2+的總濃度看作水的硬度。

水的硬度分為碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度兩種。

碳酸鹽硬度：主要是由鈣、鎂的碳酸氫鹽[Ca(HCO?)?、Mg(HCO?)?]所形成的硬度，還有少量的碳酸鹽硬度。碳酸氫鹽硬度經加熱之后分解成沉淀物從水中除去，故亦稱為暫時硬度。

非碳酸鹽硬度：主要是由鈣、鎂的硫酸鹽、氯化物和硝酸鹽等鹽類所形成的硬度。這類硬度不能用加熱分解的方法除去，故也稱為永久硬度，如CaSO?、MgSO?、CaCl?、MgCl?、Ca(NO?)?、Mg(NO?)?等。

碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度之和稱為總硬度；水中Ca2+的含量稱為鈣硬度；水中Mg2+的含量稱為鎂硬度；當水的總硬度小于總堿度時，它們之差，稱為負硬度。

硬水和軟水的區別，就是水中含有鈣、鎂化合物的多少程度。

生活中可用肥皂水鑒別軟硬水，將肥皂水加入被測水后振蕩，泡沫多浮渣少的是軟水，反之比較硬。

水的硬度對鍋爐用水的影響很大，在水被加熱的過程中，由于蒸發濃縮，容易形成水垢，附著在受熱面上而影響熱傳導，因此，應根據各種不同參數的鍋爐對水質的要求對水進行軟化或除鹽處理。

三、水的用途

1.水是人類的生命之源

水是所有生命體的重要組成部分，人體中水占體重的70%，水是維持生命必不可少的物質，是人體的生命之源。

在地球上，哪里有水，哪里就有生命。一切生命活動都是起源于水的。人體內的水分，大約占到體重的65%。其中，腦髓含水75%，血液含水83%，肌肉含水76%，連堅硬的骨骼里也含水22%！沒有水，食物中的養料不能被吸收，廢物不能排出體外，藥物不能到達起作用的部位。人體一旦缺水，后果是很嚴重的。缺水1%-2%感到渴；缺水5%口干舌燥，皮膚起皺，意識不清，甚至幻視；缺水15%心跳急促、失憶，意識就快消失。缺水20%暈倒，像死一樣。往往甚于饑餓。沒有食物，人可以活3周，如果連水也沒有，頂多能活3天。

水對人體的主要作用為：

⑴構成細胞：水是構成細胞、組織液、血漿等的重要物質。如果細胞失水過多，會導致皺縮甚至衰老等情況出現，對人體產生不利的影響。

⑵運輸營養：水可以作為溶劑，溶解物質，是體內一切化學反應及各種營養素吸收和運輸的介質，可以促使攝入的營養物質充分溶解，并且將其運輸到機體的各個組織部位，保證機體正常的運行。

⑶潤滑：水具有一定的潤滑作用，淚液、唾液的分泌可以有效的減少臟器、組織之間的摩擦刺激，能夠幫助機體保持正常的運動協調。水在關節腔中形成潤滑液，減少了骨頭之間的摩擦，使得關節能夠更加靈活順暢地運動。

⑷ 促進代謝：水是身體代謝過程中必不可少的物質，能夠促進新陳代謝，加速身體內營養物質的吸收和廢物以及毒素的排出，完成機體正常的物質交換，參與調節體內酸堿平衡。

⑸ 維持身體水分平衡：水分是維持身體生命活動的基礎，喝適量的水可以幫助身體維持水分平衡，保持正常的生理功能。在飲用水中,含有許多豐富的礦物質,如鈣、鎂、鐵、銅、鉻、錳等元素,這些元素含量適當則對人體健康有益。

⑹ 幫助消化：適量的水可以促進胃腸道的蠕動，幫助食物消化，預防便秘等問題。

⑺ 調節體溫：水對體溫調節起著重要的作用，如果外界溫度較高，會通過體內水分蒸發來散熱，降低溫度。

⑻ 滋潤皮膚：當人體體內缺乏水分時，會表現為皮膚干燥、粗糙、皸裂、蛻皮、面色蒼老等癥狀，因此，水還有滋潤皮膚的作用。

⑼ 預防疾病：在日常生活中預防各種疾病，也需要多喝水促進身體新陳代謝，以排出體內的毒素，以避免患上某些疾病。

2.水是植物的生命源泉

水利是農業的命脈，農業需要大量的水來澆灌農作物。用手抓一把植物，你會感到濕漉漉的，涼絲絲的，這是水的緣故。植物含有大量的水，約占體重的80%，蔬菜含水90%-95%，水生植物竟含水98%以上。水替植物輸送養分；水使植物枝葉保持婀娜多姿的形態；水參加光合作用，制造有機物；水的蒸發，使植物保持穩定的溫度不致被太陽灼傷。

植物不僅滿身是水，作物一生都在消耗水。1公斤玉米，是用368公斤水澆灌出來的；同樣的，小麥是513公斤水，棉花是648公斤水，水稻竟高達1000公斤水。一籽下地，萬粒歸倉，農業的大豐收，水立下了不小的功勞呢！

3.水是工業的血液

許多工業生產過程需要用大量的水，如發電、制藥、造紙等。工業生產離不開水，如原料用水、產品處理用水、鍋爐用水、洗滌用水、冷卻用水等。

水，參加了工礦企業生產的一系列重要環節，在制造、加工、冷卻、凈化、空調、洗滌等方面發揮著重要的作用，被譽為工業的血液。例如，在鋼鐵廠，靠水降溫保證生產；鋼錠軋制成鋼材，要用水冷卻；高爐轉爐的部分煙塵要靠水來收集；鍋爐里更是離不了水，制造1噸鋼，大約需用25噸水。水在造紙廠是紙漿原料的疏解劑、解釋劑、洗滌運輸介質和藥物的溶劑，制造1噸紙需用450噸水。火力發電廠冷卻用水量十分巨大，同時，也消耗部分水。食品廠的和面、蒸餾、煮沸、腌制、發酵都離不了水，醬油、醋、汽水、啤酒等，其實就是水的化身。

4.雨水的藥用功能

雨水，又名無根水，中醫認為其性輕清，味甘淡，諸水之上也。夏日尤佳。飲之可以去病。

水在制藥過程中也起到重要作用。水治療可以緩解某些病癥，如關節炎。水也被用來清潔和消毒醫療用品和手術器械。

⒌ 水在日常生活中的應用

水是人類日常生活必備的物質，我們在生活中處處都需要水，比如做飯、洗滌、沐浴、清潔、洗漱等。水給我們的生活帶來了極大的方便。

飲用：水是人體必需的物質，飲用水可以滿足人體的生理需求，保持身體健康。

烹飪：水是烹飪的重要原料，可以用來煮飯、煮菜、煮湯等。

清洗：水是清洗的最基本工具，我們需要用水來清洗食物、衣物、身體等等。

⒍水是制備純水的原料

方法主要有蒸餾法和離子交換法。

將自來水直接蒸餾可獲得一般實驗所需的蒸餾水。對于重要的物理化學和分析化學實驗，通常采用二次或三次蒸餾水，這種蒸餾最好在石英裝置中進行，所得的純水應收集在耐高溫玻璃、石英或聚乙烯瓶中。

為了除去水中的有機雜質，最好在每升被提純的水中加入0.05g KMnO?，半小時后加入0.5～1g鉀明礬，再過半小時后加入0.66g Na?HPO?，靜置半小時后過濾，濾液煮沸10分鐘后再加入蒸餾瓶中進行蒸餾，除去餾出物開頭和最后的餾份（各10%）。

離子交換法是制備高純度水的更好方法，離子交換樹脂分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂，兩種樹脂在裝柱前分別進行預處理。

陽離子交換樹脂先用自來水反復漂洗除去其中的色素、水溶性雜質及其他夾雜物，直至水清無泡沫，并用純水浸泡4小時。然后用5%的鹽酸溶液浸泡樹脂（以沒過樹脂為宜）4小時，適當攪拌，將鹽酸排盡后以純水反復洗至近中性為止。

陰離子交換樹脂同樣用水反復漂洗直至水清無泡沫，并用純水浸泡4小時。再用5%氫氧化鈉溶液浸泡4小時，適當攪拌，然后將氫氧化鈉溶液排盡，以純水反復洗至近中性為止。

處理好的樹脂裝入準備好的有機玻璃交換柱中，交換流程按陽離子交換柱陰離子交換柱混合樹脂交換柱（陽、陰離子交換樹脂充分混勻）的順序設定。控制一定流速向交換柱中通入蒸餾水（或自來水），從混合樹脂交換柱中流出純水，當水質達到要求后即可使用。

⒎其它

⑴調節氣候：水對氣候具有調節作用。如果沒有水，地球上的氣候或許就不適宜人類生存。

⑵運輸：水被用于運輸，如航運和旅游工業。水道是重要的交通運輸通道。

⑶美化環境：水可以作為裝置和美化人造環境的一部分，如噴泉、河流和湖泊等。

⑷體育休閑：水可以發展水上運動和娛樂等。水運動和水上娛樂活動是很受歡迎的，如游泳、潛水、沖浪和帆船等。

水在我們的生活中扮演著極其重要的角色，無論是日常生活、工業生產還是自然生態，都離不開水的支持。