命名
正式命名
根據IUPAC規定,H₂O分子的正式名稱只有兩種:水(Water)與氧烷(Oxidane)。
民間命名
根據其化學式,人們又給水以下別稱:氧化氫、一氧化二氫;
類比VIA族與VIIA族其它化合物命名規律:氫氧酸、酸式氧;
類比金屬氫氧化物(鹼)命名規律:氫氧化氫、苛性氫、羥基氫、鹼式氫。
上述名稱雖各不相同,但描述的都是同一種物質——水。國外曾經有過一篇將水稱為"一氧化二氫"的惡搞文章,引起譁然,就是人們對水的這些“另類命名”不了解造成的。
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。
盤點
正式命名:水、氧烷
民間命名:聚氫氧酸酐,苛性氫,脫氰零醛肟,一氧化二氫,氫化脫磺硫酸,羥基氫,脫碳甲醛,脫碳葡萄糖,脫羰甲酸,氧代硫化氫,氫氧化氫,鹼式氫, 二氫醚,零醇,氫酚,氫羥酸,二零醚,正氧烷,氧乙烯,氫化超氧醯,二聚氫氧酸酐,氧化脫酯甲酸,氫化脫苄苯甲醇, 羥基脫羧甲酸,氫化脫硝硝酸,氫化脫氰氰酸
來源
概述
地球是太陽系八大行星之中唯一被液態水覆蓋的星球。
地球上水的起源在學術界上存在很大的分歧,目前有幾十種不同的水形成學說。有些觀點認為在地球形成初期,原始大氣中的氫、氧化合成水,水蒸氣逐步凝結下來並形成海洋;也有觀點認為,形成地球的星雲物質中原先就存在水的成分。
另外的觀點認為,原始地殼中矽酸鹽等物質受火山影響而發生反應、析出水分。也有觀點認為,被地球吸引的彗星和隕石是地球上水的主要來源,甚至地球上的水還在不停增加。
當我們打開世界地圖時,或者當我們面對地球儀時,呈現在我們面前的大部分面積都是鮮艷的藍色。從太空中看地球,我們居住的地球是很圓的,因為地球的赤道半徑僅比兩極半徑長0.33%。地球是極為秀麗的蔚藍色球體。水是地球表面數量最多的天然物質,它覆蓋了地球71%以上的表面。地球是一個名副其實的大水球。
觀點
自生說
1.地球從原始星雲凝聚成行星後,由於內部溫度變化和重力作用,物質發生分異和對流,於是地球逐漸分化出圈層,在分化過程中,氫、氧氣體上浮到地表,再通過各種物理及化學作用生成水;
2. 水是在玄武岩先熔化後冷卻形成原始地殼的時候產生的。最初地球是一個冰冷的球體。此後,由於存在地球內部的鈾、釷等放射性元素開始衰變,釋放出熱能。因此地球內部的物質也開始熔化,高熔點的物質下沉,易熔化的物質上升,從中分離出易揮發的物質:氮、氧、碳水化合物、硫和大量水蒸氣,試驗證明當1 m 花崗岩熔化時,可以釋放出26 L的水和許多完全可揮發的化合物;
3.地下深處的岩漿中含有豐富的水,實驗證明,壓力為15 kPa,溫度為1,0000℃的岩漿,可以溶解30%的水。火山口處的岩漿平均含水6%,有的可達12%,而且越往地球深處含水量越高。據此,有人根據地球深處岩漿的數量推測在地球存在的45億年內,深部岩漿釋放的水量可達現代全球大洋水的一半;
4. 火山噴發釋放出大量的水。從現代火山活動情況看,幾乎每次火山噴發都有約75%以上的水汽會噴出。1906年維蘇威火山噴發的純水蒸氣柱高達13,000米,一直噴發了20個h。阿拉斯加卡特邁火山區的萬煙谷,有成千上萬個天然水蒸氣噴出孔,平均每秒種可噴出97~6450C的水蒸汽和熱水約23,000m 。據此有人認為,在地球的全部歷史中,火山拋出來的固體物質總量為全部岩石圈的一半,火山噴出的水也可占現代全球大洋水的一半;
5.地球內部礦物脫水分解出部分水,或者釋放出的一氧化碳、二氧化碳等氣體,在高溫下與氫作用生成水。此外,碳氫化合物燃燒也可以生成水,在堅硬的火成岩中,也有一定數量的結晶水和原始水的包裹體。
外生說
1.人們在研究球粒隕石成分時,發現其中含有一定量的水,一般為 0.5~5%,有的高達10%以上,而碳質球粒隕石含水更多。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的86%。一般認為,球粒隕石是原始太陽最早期的凝結物,地球和太陽系的其他行星都是由這些球粒隕石凝聚而成的;
2.太陽風到達地球大氣圈上層,帶來大量的氫核、碳核、氧核等原子核,這些原子核與大氣圈中的電子結合成氫原子、碳原子、氧原子等。再通過不同的化學反應變成水分子,據估計,在地球大氣的高層,每年幾乎產生1.5 t這種 “宇宙水”。然後,這種水以雨、雪的形式落到地球上。
3.科學家在"深度撞擊號"在2005年1月13日撞擊了坦普爾1號彗星的彗核後在濺起的物質中發現了冰,兩-三億年前,由於木星與土星兩顆氣態巨行星在它們的兩星連珠時產生了巨大引力,奧爾特雲中的彗星被拉進了內太陽系中,地球也受到了彗星的撞擊,研究表明,大部分彗星是由宇宙塵埃、氣體、冰組成的,穀神星這一顆彗星中含有的水分比地球上所有的水還要多,彗星穿過大氣層時會融化為水,以雨、雪等形式落到地面上。
性質
三態變化
眾所周知,水有三態,分別為:固態、液態、氣態。
但是水卻不止只有三態,還有:超臨界流體、超固體、超流體、費米子凝聚態、等離子態、
玻色-愛因斯坦凝聚態等等。
物理
通常是無色、無味的液體。
沸點:99.975℃(氣壓為一個標準大氣壓時,也就是101.325kPa)。
凝固點:0℃
三相點:0.01℃
最大相對密度時的溫度:3.982℃
比熱容:4.186kJ/(kg·℃) 0.1MPa 15℃蒸發潛熱:2257.2kJ/(kg) 0.1MPa 100℃
密度:水的密度在3.98℃時最大,為1×10 kg/m ,水在0℃時,密度為0.99987×10 kg/m ,冰在0℃時,密度為0.9167×10 kg/m 。
臨界溫度:374.2℃
導熱率:在20℃時,水的熱導率為0.006 J/s·cm·K,
凍的熱導率為 0.023 J/s·cm·K,
在雪的密度為0.1×10 kg/m 時,雪的熱導率為0.00029 J/s·cm·K。
浮力分類:懸浮、漂浮、沉底、上浮、下沉。
不同溫度下水的各類物理參數:
t | p | c | λ | a |
溫度 | 壓力 | 比熱容 | 導熱係數 | 熱擴散率 |
℃ | kPa | kJ/(kg·K) | W/(m·K) | 10m/h |
0 | 0.613 | 4.2077 | 0.558 | 4.8 |
10 | 1.227 | 4.1910 | 0.563 | 4.9 |
20 | 2.333 | 4.1826 | 0.593 | 5.1 |
30 | 4.240 | 4.1784 | 0.611 | 5.3 |
40 | 7.373 | 4.1784 | 0.623 | 5.4 |
50 | 12.332 | 4.1826 | 0.642 | 5.6 |
60 | 19.918 | 4.1826 | 0.657 | 5.7 |
70 | 31.157 | 4.1910 | 0.666 | 5.9 |
80 | 47.343 | 4.1952 | 0.670 | 6.0 |
90 | 70.101 | 4.2077 | 0.680 | 6.1 |
100 | 101.325 | 4.2161 | 0.683 | 6.1 |
110 | 143 | 4.2287 | 0.685 | 6.1 |
120 | 198 | 4.2454 | 0.686 | 6.2 |
130 | 270 | 4.2663 | 0.686 | 6.2 |
140 | 361 | 4.2915 | 0.685 | 6.2 |
150 | 476 | 4.3208 | 0.684 | 6.2 |
160 | 618 | 4.3543 | 0.683 | 6.2 |
170 | 792 | 4.3878 | 0.679 | 6.2 |
180 | 1003 | 4.4254 | 0.675 | 6.2 |
190 | 1255 | 4.4631 | 0.670 | 6.2 |
200 | 1555 | 4.5134 | 0.663 | 6.1 |
210 | 1908 | 4.6055 | 0.655 | 6.0 |
220 | 2320 | 4.6473 | 0.645 | 6.0 |
230 | 2798 | 4.6892 | 0.637 | 6.0 |
240 | 3348 | 4.7311 | 0.628 | 5.9 |
水密度的變化
水的密度在3.982℃時最大,為1000kg/m3,溫度高於3.982℃時(也可以忽略為4℃),水的密度隨溫度升高而減小 ,在0~3.984℃時,水熱縮冷漲,密度隨溫度的升高而增加。
溫度(攝氏度) | 密度( 水[為無色無味的透明液體] ) |
-30 | 983.854 |
-20 | 993.547 |
-10 | 998.117 |
0 | 999.8395 |
4 | 999.9720 |
10 | 999.7026 |
15 | 999.1026 |
20 | 998.2071 |
22 | 997.7735 |
25 | 997.0479 |
30 | 995.6502 |
40 | 992.2 |
60 | 983.2 |
80 | 971.8 |
100 | 958.4 |
備註:低於0攝氏度的為過冷的水,別的皆為1標準大氣壓下的數值 |
原因:主要由分子排列決定。也可以說由氫鍵導致。由於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(H₂O)外,同時還含有締合分子(H₂O)2和(H₂O)3等,當溫度在0℃水未結冰時,大多數水分子是以(H₂O)3的締合分子存在,當溫度升高到3.98℃(101.325kPa)時水分子多以(H₂O)2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3.982℃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成是種敞開結構,凍的結構中有較大的空隙,所以凍的密度反比同溫度的水小。
化學
化學式:H₂O
結構式:H—O—H(兩氫氧鍵間夾角104.5°)。
相對分子質量: 18.016
化學實驗:水的電解。方程式:2H₂O=通電=2H₂↑+O₂↑(分解反應)
分子構成:氫原子、氧原子。
CAS號: 7732-18-5
水具有以下化學性質:
1.穩定性:在2000℃以上才開始分解。
水的電離:純水中存在下列電離平衡:H₂O==可逆==H⁺+OH⁻ 或 H₂O+H₂O=可逆=H₃O⁺+OH⁻。
註:“H₃O⁺”為水合氫離子,為了簡便,常常簡寫成H⁺,更準確的說法為HO⁺,純水中氫離子物質的量濃度為10⁻⁷mol/L。
2.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+2H₂O=2NaOH+H₂↑
Mg+2H₂O=Mg(OH)₂↓+H₂↑
3Fe+4H₂O(水蒸氣)=Fe₃O₄+4H₂(加熱)
C+H₂O=CO+H₂(高溫)
3.水的還原性:水跟氟單質反應時,表現還原性,氧被還原成氧氣
2F₂+2H₂O=4HF+O₂↑。
4.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 2H₂O=2H₂↑+O₂↑。
5.水化反應:
水可跟活潑金屬的鹼性氧化物、大多數酸性氧化物以及某些不飽和烴發生水化反應。
Na₂O+H₂O=2NaOH
CaO+H₂O=Ca(OH)₂
SO₃+H₂O=H₂SO₄
P₂O₅+3H₂O=2H₃PO₄
CH₂=CH₂+H₂O←→C₂H₅OH
6.水解反應
鹽的水解:
氮化物水解:Mg₃N₂+6H₂O(加熱)=3Mg(OH)₂↓+2NH₃↑
NaAlO₂+HCI+H₂O=Al(OH)₃↓+NaCI(NaCI少量)
碳化鈣水解: CaC₂(電石)+2H₂O(飽和氯化鈉)=Ca(OH)₂+C₂H₂↑
鹵代烴 水解: C₂H₅Br+H₂O(加熱下的氫氧化鈉溶液)←→C₂H₅OH+HBr
醇鈉水解:
C₂H₅ONa+H₂O→C₂H₅OH+NaOH
酯類水解:
CH₃COOC₂H₅+H₂O(銅或銀催化並且加熱)←→CH₃COOH+C₂H₅OH
多糖水解:(C₆H₁₀O₅)n+nH₂O←→nC₆H₁₂O₆
丙腈水解:CH₃CH₂CN+H₂O→CH₃CH₂C(OH)NH
CH₃CH₂C(OH)NH+H₂O→CH₃CH₂C(OH)₂NH₂→
CH₃CH₂CONH₂+H₂O→CH₃CH₂COOH+NH₃
醯胺水解:—CO—NH—+H₂O→—COOH+NH₂—
6.水分子的直徑數量級為10¹⁰,一般認為水的直徑為2~3個此單位。
7.水的電離:
純水有極微弱的導電能力,因為水有微弱的電離,存在著水的解離平衡。
H₂O←→H⁺+OH⁻
298.15K(即:25℃)時純水的離子積為10 。
8.水是兩性物質,既有氫離子(H⁺),也有氫氧根離子(OH⁻)。但純淨蒸餾水是中性的。
9.水的PH值:水在25℃下PH值為7(中性),隨著溫度的變化仍為中性。
軟硬度
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Ca ,Mg 等離子的總濃度稱為硬度。水的硬度的單位為mol·m 或mmol·dm 。根據水的硬度可以將水分類為: