关于水介绍

[拼音]：shui

[外文]：water

含有两个氢原子和一个氧原子的化合物。在自然界，纯水是罕见的，水通常是溶有其他物质的溶液。习惯上把这种水溶液称为水，如海水、河水、湖水和地下水等。

认识史

汉语中的水字在殷商时代甲骨文中已经出现（见彩图）。关于水体地理分布的知识在许多民族最早的文字中都有记述。中国古籍《山海经》和《水经注》等对中国大陆的河流和湖泊作了详细的描述。1267年，中国元代回族科学家札马鲁丁曾制作木质地球仪，其上七分标为海水，着绿色，三分为陆地，着白色。1405～1433年，中国著名航海家郑和通使“西洋”，率舰队横渡印度洋到达非洲东岸;1492年哥伦布横渡了大西洋到达美洲；16世纪上叶，麦哲伦的船队完成了环球航行。这些伟大壮举表明，人类对水的分布的知识已由陆地扩大到了全球海洋。

人类对水的运动变化的观测在公元前3000多年已经开始。在意大利西西里巴勒莫博物馆的古碑残片中，至今还保存着公元前3500～前3000年埃及人留下的尼罗河水位记录。中国在秦代已开始观测降雨。古代哲学家对地球上的水循环作过许多推测。中国古代著作《吕氏春秋》对水循环作了符合科学的论述。法国P.佩罗在考察了塞纳河流域的降水和径流后于1674年在《泉水之源》一书中首次提出了水量平衡的概念。1766～1783年，经过英国学者H.卡文迪什和法国化学家A.L.拉瓦锡等人的相继努力，完成了水的合成实验，指出水是由二份体积氢和一份体积氧组成的化合物。由此，人类对水的化学组成有了科学的认识。水的物理性质的研究在水的化学组成确定之前就已开始。1612年意大利学者伽利略注意到液态水的密度比冰的大。1665年荷兰学者C.惠更斯得出在标准大气压情况下，水的沸点为100°C。1772年，J，-A.德吕克指出水在 4°C时密度最大。1897年苏联学者Д.И.门捷列夫指出水的密度与温度之间不是直线而是曲线关系。1932年美国学者H.C.尤里等人发现了重水。以后美国学者又证实了水中存在由宇宙射线引起的氢同位素氚，用它可以测定古代水的年龄。

水的起源和演化

关于地球上水的起源有各种假说。比较流行的看法是，地球中的水最初作为结合水被禁锢在化合物中。在地球圈层分异过程中，部分结合水被分离出来，在岩浆活动中，从地球内部逸出地表，形成地表和大气圈中最原始的水，称为原生水。从原生水到今天的自然水体，在水量和水质方面都经历了漫长的演变过程。据估计，约35亿年前地球表层的水量只有目前水量的十分之一。在几十亿年的地质过程中，水不断从地球内部逸出，使地表水量不断增加。目前每年约有660立方公里水从地幔逸出。此外，陨石和宇宙尘埃每年给地球带来约 0.5立方公里的水，大约相同数量的水通过大气圈逸散到宇宙空间。原生水的化学成分与现代水体的化学成分也有很大差别。35亿年前的原生海水呈强酸性。距今约35～26亿年期间，强酸性水溶液与硅酸盐岩石的作用，使水的酸性得到一定程度的中和并含有大量氯化物。距今约26～10亿年期间，各种藻类出现并大量繁殖，生物作用使水除含氯化物外又增添了大量碳酸盐和硫酸盐。从距今10亿年到现在，生物作用不断加强，海水pH值迅速增加，海水开始呈现碱性，变成了主要由氯化物和硫酸盐组成的现代海水。陆地上的淡水主要通过海洋蒸发和水循环而产生。

水的物理性质

指水的热学、力学、电学、光学和声学特性。

水的液态、气态和固态之间的转化决定于温度和压力（图1）。

当水汽的温度高于 374.2°C时，不论压力多大都不能使气态水转化为液态水，这种温度称为水的临界温度。标准大气压时，水的冰点为0°C，沸点为100°C。水的比热容较其他物体的大，液态水的比热容为1卡/（克·摄氏度），冰的比热容约为0.5卡/（克·摄氏度）。在 100°C和一个标准大气压情况下，水的汽化热为539卡/克，在常温常压下，为584卡/克，当水汽凝结成水时放出相同的热量。在0°C和一个标准大气压情况下，冰的融解热为79.7卡/克，当水凝结成冰时放出相同的热量。水从固态直接转变为气态时所吸收的热量称为升华热，升华热等于汽化热与融解热之和。把水冷却，避免震荡，则水可在0°C以下而不冻结，称这种现象为水的过冷现象（见湖泊冰情）。但只要在这种过冷水中加入少许尘屑或稍加扰动，水便立即冻结。若将水内气体排出，避免震荡，均匀加热，则水可在100°C以上而不沸腾，称这种现象为水的过热现象，但若稍加搅动则立即沸腾。水的导热性较其他液体小，在20°C时水的热导率为0.00143卡/（秒·厘米·摄氏度）；冰的热导率为0.0054卡/（秒·厘米·摄氏度）;雪的热导率与雪的密度有关，当密度为0.1千克/升时，其热导率为0.00007卡/(秒·厘米·摄氏度)。水的密度在3.98°C时最大，为1千克/升；当温度在3.98°C以上时，水的密度随温度升高而减小；在0～3.98°C时，水一反热胀冷缩的普遍规律，密度随温度的升高而增加；水在0°C时密度为0.99987千克/升;冰在0°C时密度为0.9167千克/升;所以水在由液态变为固态时密度发生突变，体积约增加9％。

水对一般固体的附着力较水的内聚力大，所以水一般都能润湿各种固体。水的表面张力较大，常温下表面张力系数为0.073牛顿/米。在附着力和表面张力的共同作用下，水能沿毛细管上升，称为毛细管现象。水的压缩率很小，体积压缩系数为4.74×10-10米2/牛顿，一般认为不可压缩。水的运动粘度在20°C时为 1.010×10-6米2/秒。光在水中的传播速度为空气中的75％。水的折射率为1.33，所以在以空气为界面的情况下，光在水中可以产生全反射。纯水几乎是不导电的，天然水有微弱的导电性。声波在水中的传播速度为1483米/秒。

水的化学性质

水的热稳定性很高，当水蒸气加热到2000开以上，也只有极小部分离解为氢和氧。在一定条件下，水能同多种比较活泼的金属以及少数非金属发生反应，放出氢气；凡是能溶于水的酸性氧化物或碱性氧化物，都能与水反应，生成相应的含氧酸或碱。水分子中两个氢原子与一个氧原子形成的结构（图2），

使整个水分子正负电荷不相重合而显有极性，所以水分子是极性分子。水分子的极性使分子互相吸引形成氢键，氢键导致水分子之间彼此结合，形成聚合的水分子(H2O)n而不引起水的化学性质改变，这种现象称做水分子的缔合。水的许多特性可用水分子的缔合来解释。气态水（水蒸气）由几乎彼此独立的水分子组成。固态水（冰）的全部水分子结合在一起，成为一个巨大的缔合分子(图3)，冰的结构具有极大的空隙。液态水中既有复杂程度不等的缔合分子，也有简单的水分子。

水是一种很好的溶剂，不但能溶解离子型化合物，而且能溶解某些单质和某些分子型化合物。自然界，水中通常溶有氧和二氧化碳等气体，钾、钠、钙、镁等金属离子和生物原生质中的氮、磷、硅、铁等。

纯水具有极微弱的导电能力，能电离出极小量的氢离子和氢氧根离子。纯水在22°C时，正、负离子浓度相等，为10-7克离子/升。

水的溶液的酸碱性用pH值表示，pH值等于水溶液中氢离子浓度的负对数，pH=7为中性，pH值越小，酸性越强，pH值越大，碱性越强。天然水的pH值一般在6.8～8.5之间，其数值大小主要取决于溶于水中的游离二氧化碳、碳酸盐和碳酸氢盐相互之间的含量关系。

自然界的水

自然界同时存在着液态、气态和固态水，并在自然条件下相互转化，在太阳辐射和地球引力作用下，形成了全球水文循环。全球每年有577000立方公里的水从海洋和陆地转化为大气中的水汽，差不多等量的水又通过凝结转化为降水。水文循环把大气圈、水圈、岩石圈和生物圈联系起来，是自然环境发展演变最活跃的因素，并使地球获得淡水。

水调节气候。大气中的水汽能拦阻地球辐射热量的60％，使之不向宇宙空间散失，保证地球不致冷却。据计算，若大气圈水蒸气含量减少一半，地球表面的平均温度将降低 5°C左右，即从现在的 14.3°C降低到9.0°C。水汽的这种作用称为温床效应。海洋和陆地水体在夏季吸收和积累大量热量，使气温不致过高，在冬季把热量缓慢地释放出来，使气温不致过低，这种调节作用在白天和夜间也同样存在，从而使气候变得温和。倘若大洋表层水的温度场发生突变，气候便发生异常。

水是地貌发展演变的重要地质营力。它侵蚀岩石土壤，冲淤河道，搬运泥沙，营造平原。世界河流每年带入海洋的泥沙(悬移质)约有201.6亿吨，其中北美洲19.6亿吨，南美洲12.0亿吨，非洲5.4亿吨，澳洲2.3亿吨，欧洲3.2亿吨，亚洲159.1亿吨。估计全球河流每年携带36亿吨溶解物质入海。水的地球化学作用在于，它一方面破坏了地壳中元素的共生组合，使部分元素迁移、分散和积聚，另一方面又形成了新的元素共生组合。

水使地球产生了生命。水的生物学意义在于，它是一切有机体最主要的组成部分。全球动植物和40亿人体内含有近 11200亿吨水，这相当世界河流中水量的一半。水的生物学意义还在于，它是任何新陈代谢不可缺少的物质。从原始植物出现到现在的 6亿年中，由于光合作用从水中摄取的水量估计约为 170亿立方公里。水是连结着地球上一切生命的链条，生物所需的各种物质借助于水在生态系统中无止境地流动。

水与人类

水对人类生存和人类社会发展的意义是多方面的。水是人体最主要的成分。人体中所含水量平均约占人体重量的60％(婴儿占70％，60岁老人占49％)。水在人体内是作为一种溶剂存在的，食物中许多成分溶于水为人体吸收，废物需要通过水排出体外。没有水新陈代谢不能进行，生命便告结束。

水是最重要的资源。在人类历史中水最早用于农业灌溉。水能是人类利用太阳能最主要的方式之一。全球河流水能蕴藏量约50.5亿千瓦，海洋潮汐能量约10亿多千瓦。水还由于具有独特的性质，被工业广泛用作能量转化和力的传递介质，例如热电厂、水压机和各种冷却装置。水域利于交通和旅游。水运是现代世界主要的运输形式之一。人类每年从河、湖、海洋中获取大量动植物，提取重要的矿物和元素。水具有重要的医疗意义。随着世界经济的发展和人口的增长，水作为资源已日趋短缺。水能兴利，也能为害，洪水常给人们造成严重损失。

随着人类文明的不断进步，人与水的关系不断发展。古代，人类被动地适应水而生存，人与水的关系表现为趋利避害。近代，人类兴建大量工程，控制水害，开发水利，人与水的关系表现为兴利除害。现代，人类把兴利除害提高到新的水平，认识到水资源短缺和水作为环境要素被污染对人类生存和社会发展产生的严重影响，开始自觉地调整人和水的新关系。

参考书目

1. 南京大学地质学系编：《地球化学》，科学出版社，北京，1979。
2. R.瑞斯尼克，D.哈里德著，郑永令等译：《物理学》，第1卷，第1册，科学出版社，北京，1979。(R.Resnick，D.Halliday，Physics，Part 1，3rd ed.，John Wiley & Sons，New York，1977.)

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