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認(rèn)清形形色色的水
水，漢語一級(jí)字，最早見于商代甲骨文，其本義是河流，引申泛指一切水域；又由表示無色無味的透明液體引申泛指某些液態(tài)物質(zhì)；又由水靜則平衍生出水準(zhǔn)，下面小編帶來的認(rèn)清形形色色的水。
摘要： 隨著人們生活水平的不斷提高和家用飲水機(jī)的普及,各種礦泉水及純凈水、弱堿性水等也逐漸成為人們的日常生活飲用水,且其消費(fèi)量不斷增加.現(xiàn)在就讓我們一起來認(rèn)識(shí)一下形形色色的水. 作 者： 邵朝輝 作者單位： 期 刊： 中學(xué)生數(shù)理化（高一版） Journal： MATHS PHYSICS & CHEMISTRY FOR MIDDLE SCHOOL STUDENTS(MIDDLE SCHOOL EDITION) 年，卷(期)： 2010, (7) 分類號(hào)：
�。o色、無味的透明液體）
本詞條由“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目審核 。
水（化學(xué)式為HO），是由氫、氧兩種元素組成的無機(jī)物，無毒，可飲用。在常溫常壓下為無色無味的透明液體，被稱為人類生命的源泉，是維持生命的重要物質(zhì)，也叫氧化氫。
水是地球上最常見的物質(zhì)之一，地球表面有71%被水覆蓋。它是包括無機(jī)化合、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。
純水導(dǎo)電性十分微弱，屬于極弱的電解質(zhì)。日常生活中的水由于溶解了其他電解質(zhì)而有較多的陰陽離子，才有較為明顯的導(dǎo)電性。
物理、化學(xué)性質(zhì)
水分子的結(jié)構(gòu)示意圖
水在常溫下為無色、無味、無臭的液體。
水在3.98℃時(shí)密度最大（999.97kg/m，近似計(jì)算中常取1000kg/m）。固態(tài)水（冰）的密度（916.8kg/m）比液態(tài)水的密度（999.84kg/m）小，所以冰能漂浮在水面上。水結(jié)冰時(shí)，體積略有增加。
在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.325kPa）下，純水的沸點(diǎn)為100℃，凝固點(diǎn)為0℃。
純水的理論電導(dǎo)率為σ＝0.055μS/cm。
水的比熱容大，c＝75.3 J/(mol·℃)，所以能很好地起到調(diào)節(jié)溫度的作用。
水的生成焓很高，ΔfHmθ＝-285.8kJ/mol，所以熱穩(wěn)定性好。在2000K的高溫下，其離解不足百分之一。
常溫下，水的離子積常數(shù)Kw＝1.00×10-14。
水分子的結(jié)構(gòu)[16]水分子是極性的，即水分子的正負(fù)電荷中心不重合（見圖片），這使得水成為一種很好的溶劑。
很多常見氣體可以溶解在水中，如氫氣、氧氣、氮?dú)�、二氧化碳、惰性氣體等，這些氣體的溶解度與溫度、壓力、氣相分壓等因素有關(guān)。
生理意義
水是人體正常代謝所必需的物質(zhì)，正常情況下身體每天要通過皮膚、內(nèi)臟、肺以及腎臟排出1.5L左右的水，以保證毒素從體內(nèi)排出。[5]兒童體內(nèi)有80%的水，老人體內(nèi)則有50％~60%，正常中年人體內(nèi)則有70%的水。
水——生命的源泉水在機(jī)體內(nèi)有許多重要功能：
�。�1）水是細(xì)胞原生質(zhì)的重要組分；
�。�2）水在體內(nèi)起溶媒作用，溶解多種電解質(zhì)；
�。�3）水在體內(nèi)起運(yùn)輸作用，可以傳遞營養(yǎng)物質(zhì)、代謝廢物和內(nèi)分泌物質(zhì)（如激素）等；
�。�4）水有較高熱導(dǎo)性和比熱，可作為“載熱體”在體內(nèi)和皮膚表面間傳遞熱量，有助于人體調(diào)節(jié)體溫。
重水
化學(xué)式D2O，又稱氧化氘。1931年H.C.尤萊在把4L液氫在-259℃下緩慢蒸發(fā)到剩余數(shù)毫升，光譜分析時(shí)發(fā)現(xiàn)了重氫“D”，稱氘。氘（deuterium）的意思是2，表示原子量等于2的氫同位素。由重氫和氧組成的化合物稱重水，分子量為20.028，比普通水分子量18.016高出約11%。純重水在1933年就已制得。普通水中所含重水很少，約占普通水質(zhì)量的0.02%，自然界沒有富含重水的源泉。重水在外觀上和普通水相似，但許多物理性質(zhì)不同，其比較見下表。
重水分子間氫鍵力較大，分子間范德華力也較大，所以它的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)比水高。常溫下重水的蒸氣壓比水小，這是水精餾法富集重水的理論根據(jù)。在25℃時(shí)重水的粘度比水大2.3%，致使許多電解質(zhì)在重水中的電導(dǎo)率比水中小。重水的介電常數(shù)低于水，鹽類在重水中的溶解度一般小些，在25℃時(shí)1g水能溶解0.3592g氯化鈉，但1g重水只能溶解0.3056g；在25℃時(shí)，碘在四氯化碳和水間的分配系數(shù)是85:1，而在四氯化碳和重水間的分配系數(shù)是103:1。重水表面張力、離子積（2×10-15）數(shù)值都比水小，重水的反應(yīng)速度比水的同樣反應(yīng)要慢些。重水有吸水的性質(zhì)，和濃硫酸相像，必須將它保存在密封的容器內(nèi)。
重水的主要用途是在核反應(yīng)堆中做“減速劑”，減小中子速度，控制核裂變過程，也是冷卻劑。重水和氘在研究化學(xué)和生理變化中是一種寶貴的示蹤材料，例如，用稀重水灌溉樹木，可以測(cè)知水在這些植物中每小時(shí)可運(yùn)行十幾米到幾十米。測(cè)定飲過大量稀重水的人尿中的氘含量，知道水分子在人體中停留時(shí)間平均為14天。用氘代替普通氫，可以研究動(dòng)植物消化和新陳代謝過程。濃的或純重水不能維持動(dòng)植物生命，重水對(duì)一般動(dòng)植物的致死濃度為60%。
生產(chǎn)重水的方法很多，曾用過電解法、水精餾法等，現(xiàn)在利用H2S/H2O雙溫交換法，先把重水富集約15%后，再電解富集成99.8%，該法成本低廉。
水的起源
關(guān)于地球上水的來源有許多各不相同的認(rèn)識(shí)，各有各的道理，但真相究竟如何，還有待于科學(xué)家們收集更多的客觀證據(jù)，以揭開這個(gè)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》雜志載文稱，德國明斯特大學(xué)的科學(xué)家通過對(duì)來自加拿大不列顛哥倫比亞省塔吉胥湖隕石和地球地幔巖石樣品的同位素分析顯示，水在地球上出現(xiàn)的時(shí)間比此前預(yù)期的要晚很多。這在很大程度上反駁了此前很多科學(xué)家所持有的“水是地球形成階段時(shí)期由隕石表面的冰層轉(zhuǎn)變而來”的說法。地球上水的起源和形成時(shí)間決定了地球演化的方向和生命起源的時(shí)間。對(duì)于地球上的水的來源，目前比較有代表性的是“外源說”和“內(nèi)源說”兩種說法。
外源說
顧名思義，外源說認(rèn)為地球上的水來自地球外部。而外來水源的候選者之一便是彗星和富含水的小行星。被譽(yù)為“臟雪球”的彗星，其成分是水和星際塵埃，彗星撞擊地球會(huì)帶來大量的水。而有些富含水的小行星降落到地球上成為隕石，也含有一定量的水，一般為0.5%~5%，有的可達(dá)10%以上，其中碳質(zhì)球粒隕石含水更多。
球粒隕石是太陽系中最常見的一種隕石，大約占所有隕石總數(shù)的86%。正因如此，一些科學(xué)家認(rèn)為，正是彗星和小行星等地外天體撞擊地球時(shí)，將其中冰封的水資源帶入地球環(huán)境中。
然而，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)彗星水的化學(xué)成分與地球水并不匹配。此外，上述德國明斯特大學(xué)科學(xué)家認(rèn)為，既然隕石是在地球形成階段就已經(jīng)降落到地球的，那么應(yīng)該在地球的地幔中留下相應(yīng)的化學(xué)痕跡。如果水確實(shí)是在這一階段由隕石帶到地球上的，那么地幔中的同位素水平和隕石中的同位素水平應(yīng)該相同，而當(dāng)他們將不列顛哥倫比亞塔吉胥湖的隕石中釕同位素及地球地幔中釕同位素進(jìn)行對(duì)比分析后卻發(fā)現(xiàn)，兩者的同位素水平并沒有任何相似之處。
據(jù)此，德國明斯特大學(xué)科學(xué)家表示，這證明，如果水確實(shí)是由彗星或小行星帶到地球上的，則其來到地球上的時(shí)間并不是地球的形成期，而是地球演化到形成地殼和地幔之后的時(shí)期。但并不排除另一種情況，即水最開始其實(shí)是星際塵埃的組成部分，而地球則正是由星際塵埃所組成的。
外來水源的另一個(gè)候選者是太陽風(fēng)。太陽風(fēng)是指從太陽日冕向行星際空間輻射的連續(xù)的等離子體粒子流，是典型的電離原子，由大約90%的質(zhì)子（氫核）、7%的α粒子（氦核）和極少量其他元素的原子核組成。
有科學(xué)家認(rèn)為，地球上的水是太陽風(fēng)的杰作。首先提出這一觀點(diǎn)的科學(xué)家是托維利。他認(rèn)為，太陽風(fēng)到達(dá)地球大氣圈上層，帶來大量的氫核、碳核、氧核等原子核，這些原子核與地球大氣圈中的電子結(jié)合成氫原子、碳原子、氧原子等。再通過不同的化學(xué)反應(yīng)變成水分子，據(jù)估計(jì)，在地球大氣的高層，每年幾乎產(chǎn)生1.5噸這種“宇宙水”。這種水以雨、雪的形式降落到地球上。更重要的是，地球水中的氫與氚含量之比為6700∶1，這與太陽表面的氫氚比也是十分接近的。因此托維利認(rèn)為，這可以充分說明地球水來自太陽風(fēng)。
但太陽風(fēng)形成的水是如此之少，在地球45億年生命史中，也不過形成了67.5億噸水，與現(xiàn)今地球表面的水貯量（包括液態(tài)水、固態(tài)冰雪和氣態(tài)水汽）1.3860×1010億噸相比，不過九牛一毛。
自源說
自源說認(rèn)為地球上的水來自于地球本身。地球是由原始的太陽星云氣體和塵埃經(jīng)過分餾、坍縮、凝聚而形成的。凝聚后的這些星子繼續(xù)聚集形成行星的胚胎，然后進(jìn)一步增大生長而形成原始地球。地球起源時(shí)，形成地球的物質(zhì)里面就含有水。
在地球形成時(shí)溫度很高，水或在高壓下存在于地殼、地幔中，或以氣態(tài)存在于地球大氣中。后來隨著溫度的降低，地球大氣中的水冷凝落到了地面。巖漿中的水也隨著火山爆發(fā)和地質(zhì)活動(dòng)不斷釋放到大氣、降落到地表。匯集到地表低洼處的水就形成了河流、湖泊、海洋。地球內(nèi)部蘊(yùn)含的水量是巨大的。地下深處的巖漿中含有豐富的水。有人根據(jù)地球深處巖漿的數(shù)量推測(cè)，在地球存在的45億年內(nèi)，深部巖漿釋放的水量可達(dá)現(xiàn)代全球大洋水的一半。
還有一種說法認(rèn)為在地球開始形成的最初階段，其內(nèi)部曾包含有非常豐富的氫元素，它們后來與地幔中的氧發(fā)生了反應(yīng)并最終形成了水。
水巖
地球科學(xué)家傾向于認(rèn)為，地球上的水來源于地球自身演化過程中的巖漿水等，天文學(xué)家更傾向于是彗星等撞擊地球帶來的水。目前兩種觀點(diǎn)誰都沒有說服誰。
很多人似乎覺得太空中的水很稀少，實(shí)際上水在太陽系中非常豐富。例如我們的臨近行星——火星，已經(jīng)在其表面發(fā)現(xiàn)了很多干涸的河床、湖泊、三角洲、沖積扇等，這說明火星表面曾經(jīng)有大量的水�，F(xiàn)在科學(xué)家也相信，火星地下和兩極可能藏有很多水。此外，一些小行星、海王星軌道之外的柯伊伯帶的天體上也有大量的水存在。而在柯伊伯帶以外的奧爾特云更是分布著大量的彗星，這些彗星大部分就由水組成。液態(tài)水能否存在的關(guān)鍵在于星球表面的溫度。在地球上，由于溫度通常在0℃~100℃之間，因此水才可能以液態(tài)形式存在。
有的星球如金星表面溫度達(dá)到400多攝氏度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了水的沸點(diǎn)，所以沒有液態(tài)水。有的星球如火星，表面溫度達(dá)到了零下四五十?dāng)z氏度，低于水的冰點(diǎn)，即使有水也都冰凍了，所以也不會(huì)有很多液態(tài)水。所以水出現(xiàn)在地球上并非偶然，而是必然現(xiàn)象。地球水的“第四種形態(tài)”地球上的水絕大多數(shù)其實(shí)并不是以我們所熟知的冰、水、氣三種形式存在。水還有另外一種存在形式，這種形式異乎尋�！蔷褪欠獯嬖趲r石中的水。
可以說，這些巖石像一個(gè)巨大的水庫，它的含水量至少與地球上所有河流、海洋和冰川中的水量加起來一樣多，或許還是海洋水量的4倍、6倍或10倍。但它們一直被深埋在我們腳下410千米處�？茖W(xué)家把這種融入水的礦石稱為“水合礦物質(zhì)”，即“水巖”�？茖W(xué)家認(rèn)為，這種水巖遍布地下400千米~650千米的深處，厚達(dá)240千米，比地球表面的水層還要厚。即使這種礦石的含水量只有1%，其水量也很大，實(shí)際上已相當(dāng)于地球海洋水量的幾倍。
水總硬度
定義及其分類
水總硬度指的是水中鈣離子、鎂離子的總量，是衡量自來水是否符合標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，主要可以分為暫時(shí)硬度和永久硬度兩大類。暫時(shí)硬度是指水中的鈣鎂離子以碳酸鹽的形式存在，遇熱就會(huì)形成碳酸鹽沉淀，最終被除去；而永久硬度則是指水中鈣鎂離子主要以硫酸鹽、硝酸鹽等形式存在，性質(zhì)穩(wěn)定，不易除去。
測(cè)定意義
水硬度是評(píng)價(jià)水質(zhì)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于飲用水以及工業(yè)用水有著很重要的影響。水硬度過高可能會(huì)形成水垢，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，為確定水質(zhì)以及進(jìn)行水的相關(guān)處理，要對(duì)水中鈣鎂離子進(jìn)行測(cè)定，即水總硬度的測(cè)試。
水總硬度的監(jiān)測(cè)分析是水質(zhì)檢測(cè)的重要工作之一，不僅影響到水的質(zhì)量，還會(huì)影響到人們生產(chǎn)以及生活的安全。在科技快速發(fā)展的今天，更多的檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，提高了水總質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確性，保障了水質(zhì)的安全以及使用質(zhì)量。
注意問題
�。�1）溶液pH值問題
測(cè)試中溶液的pH值在一定程度上會(huì)影響到金屬鈣鎂離子與EDTA生成絡(luò)合物的穩(wěn)定性。pH過低，將會(huì)使絡(luò)合物的穩(wěn)定性降低；pH過高，則水中鈣鎂離子將不能與EDTA反應(yīng)。因此，在進(jìn)行水總硬度測(cè)試之前必須要確定使用溶液的PH值，以保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。
�。�2）滴定溶液的溫度問題
水總硬度檢測(cè)時(shí)滴定溶液的溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果有著很大的影響，溫度過低就會(huì)造成反應(yīng)速度過慢，滴定過量；溶液溫度過高就會(huì)使測(cè)試溶液中有效物質(zhì)變質(zhì)，影響鈣鎂離子與EDTA的反應(yīng)過程。最終影響到水總硬度的檢測(cè)。
（3）緩沖溶液的問題
EDTA具有弱酸性，其反應(yīng)過程受到溶液pH值的影響，因此，要將緩沖溶液加入到滴定溶液中，保持適合的pH值，保證測(cè)試的順利進(jìn)行。
�。�4）鉻黑T的問題
鉻黑T是一種常見的金屬離子指示劑，用于滴定檢測(cè)過程中與鈣鎂離子進(jìn)行置換作用，有明顯的顏色變化，可以準(zhǔn)確的測(cè)出水的質(zhì)量問題。鉻黑T指示劑的配制可以分為兩類，一類是固體指示劑，另一類則是液體指示劑。
�。�5）滴定時(shí)間及速度問題
水總硬度測(cè)試中，每次滴定必須要按照規(guī)定的零刻度開始，這樣可以保證讀數(shù)都在滴管的同一個(gè)位置上，減少讀數(shù)的誤差。在堿性溶液中，鉻黑T會(huì)隨著時(shí)間的流逝而被氧化，影響最后反應(yīng)結(jié)果。因此，要保證其在五分鐘之內(nèi)完成反應(yīng)，測(cè)出結(jié)果。但是，也要注意滴定的時(shí)候速度不要過快，否則可能導(dǎo)致溶液粘在滴定管壁上，影響讀數(shù)的誤差。
�。�6）溶液中二氧化碳的問題
溶液中可能含有碳酸氫根等物質(zhì)，當(dāng)其濃度過大時(shí)，就會(huì)使反應(yīng)效果提前，影響測(cè)試結(jié)果。因此應(yīng)該適當(dāng)加入鹽酸，將其中和反應(yīng)掉，使溶液呈現(xiàn)中性。還要注意，不要將滴定溶液放置時(shí)間過程，其極易與空氣中的二氧化碳反應(yīng)，出現(xiàn)返紅現(xiàn)象。
解決辦法
水總硬度的檢測(cè)受到環(huán)境因素的影響，如果在滴定過程中發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)終點(diǎn)色，有可能是鐵離子、銅離子以及錳離子等的干擾，它們與指示劑形成更加穩(wěn)定的絡(luò)合物，導(dǎo)致EDTA不能把金屬離子置換出來，就會(huì)影響水總質(zhì)量的測(cè)定。
�。�1）鐵離子
在水總硬度測(cè)試中，鐵的含量過高，就會(huì)干擾到測(cè)試的結(jié)果。相應(yīng)的解決辦法就是要在加入緩沖溶液之前加入三乙醇胺，加快滴定速度，將鐵離子屏蔽�；蛘咭部梢岳贸恋磉^濾的方法來除去鐵離子，減少測(cè)試的誤差。
（2）銅離子
在水總質(zhì)量的測(cè)試中，若是水樣中存在銅離子，將會(huì)出現(xiàn)指示劑封閉的現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不清晰。相應(yīng)的解決方法之一就是在加入緩沖溶液之前加入化鉀，使之與銅離子反應(yīng)從而消除銅離子的干擾，但是要注意的劇毒性，盡量減少使用；另一種方法就是加入硫化鈉，也是使其與銅離子反應(yīng)，形成硫化銅沉淀，將其過濾掉。
�。�3）鋁離子
若是水樣中存在鋁離子，在其作用下，可能會(huì)吸附指示劑，導(dǎo)致終點(diǎn)色出現(xiàn)時(shí)間延長，影響水硬度的測(cè)試。而解決辦法可以參考鐵離子的解決辦法，使水總硬度測(cè)試順利進(jìn)行。
（4）水樣總堿度
水總硬度檢測(cè)中，如果水樣滴定終點(diǎn)變藍(lán)，但是又很快的變回紫色，則證明水的堿性很大，主要是由于鈣鎂離子造成的，相應(yīng)的解決辦法就是可以在檢測(cè)之前將鹽酸酸化煮沸，可以去除一定的堿性，之后需要將氫氧化鈉與之融合至中性，再繼續(xù)檢測(cè)將會(huì)發(fā)現(xiàn)滴定終點(diǎn)顏色變化會(huì)更明顯。
�。�5）有機(jī)物、懸浮物及膠狀物質(zhì)
水總硬度檢測(cè)過程中如果發(fā)現(xiàn)水樣中有機(jī)物、懸浮物質(zhì)過多，就會(huì)影響其終點(diǎn)顏色變化的觀察，影響到最終測(cè)試的結(jié)果。相應(yīng)的解決辦法就是將著色物用乙醚去除掉，或者是用硝酸等進(jìn)行溶解，在去除多余的酸性，中和之后再進(jìn)行水總硬度的檢測(cè)。
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