水的基本性质

3月22日为世界水日，3月22~3月28日中国水周

2011年世界水日宣传主题：城市用水：应对都市化挑战

(Water for cities:responding to the urban challenge)

2011年中国水周宣传主题：严格管理水资源，推进水利新跨越

2012年“世界水日”的主题是“水与粮食安全”(Water and Food Security)

宣传口号:

水是生命之源、生产之要、生态之基

珍惜水、节约水、保护水

保障饮水安全，维护生命健康

珍惜水、节约水、保护水

2013年“世界水日”的宣传主题是“水合作”(Water Cooperation)

我国纪念2013年“世界水日”和“中国水周”活动的宣传主题为“节约保护水资源，大力建设生态文明”。

2014年3月22日是第二十二届“世界水日”，3月22—28 日是第二十七届“中国水周”。

联合国确定2014年“世界水日”的宣传主题是“水与能源（Water and Energy）”。

我国纪念2014年“世界水日”和“中国水周”活动的宣传主题为“加强河湖管理，建设水生态文明”。

水的起源

地球刚诞生时，没有河流、海洋，更没有生命，它的表面是干燥的，大气层中也很少有水分。现在自然界各种水体中的水从何而来？地球上的水究竟来自何方呢?这个令人费解的问题从古至今，吸引着无数中外智者的兴趣。大多数学者认为，地球上水的起源与地球本身的起源密切相关。但是，到底地球上的水是怎么来的，现在有许多假说，例如凯萨廖夫等人提出的全球大洋水体来源的假说达32种之多。

荷兰的天文学家奥特认为，地球上水的主要来源是我们这颗行星的内部的岩石圈和上地幔。这些岩石在一定的温度和适宜的条件下（如火山爆发）脱水，从而形成了地球的水。也有人认为岩石在熔化中完全混合时，含有硅酸盐75% ，含水2%。在地球形成初期，火山爆发频繁，从而加快了地球水的形成。

全部假说可大致分为两类:一类是自生的，一类是外来的。

主张地球上的水是自生的人认为: 水是在玄武岩先熔化后冷却形成原始地壳的时候产生的。最初地球是一个冰冷的球体。此后，由于存在地球内部的铀、钍等放射性元素开始衰变，释放出热能，因此地球内部的物质也开始熔化，高熔点的物质下沉，易熔化的物质上升，从中分离出易挥发的物质：氮、氧、碳水化合物、硫和大量水蒸气。试验证明当1 m3花岗岩熔化时，可以释放出26 L的水和许多完全可挥发的化合物。地下深处的岩浆中含有丰富的水，岩浆可以溶解30%的水。火山口处的岩浆平均含水6%，有的可达12%，而且越往地球深处含水量越高。据此，有人根据地球深处岩浆的数量推测在地球存在的45亿年内，深部岩浆释放的水量可达现代全球大洋水的一半。由于地球内部的高温，地球的水还在增加，在研究中，有资料表明，大洋面近年内上升了。水流到地球的表面与蒸汽和气体一起逸入大气圈，仿佛现在火山喷发时所发生的事件一样。当时，约30亿年前的火山活动比现在强烈、普通而频繁。因此，地球形成之日起，在地球内部、表层都可以产生水。从现代火山活动情况看，几乎每次火山喷发都有约75%以上的水汽喷出。1906年维苏威火山喷发的纯水蒸气柱高达13000米，一直喷发了20个h。阿拉斯加卡特迈火山区的万烟谷，有成千上万个天然水蒸气喷出孔，平均每秒种可喷出97～6450C的水蒸汽和热水约23000m3。

主张地球上的水是外来的人认为:地球形成的时候，就从宇宙俘获了大量的水，以后逐

渐释放并留存下来。水是宇宙物质，当宇宙中的尘埃云凝聚成地球时，它们同时也被封存在地球的原始物质球粒陨石中。组成原始地球的固体尘埃，实际上是衰老了的星球爆炸而成的大量碎片，这些碎片多是无机盐之类的东西，在其内部蕴藏了许多水分子，即所谓的结晶水合物。由于当时地球温度很高，原始物质均处在熔融状态；地球自转速度也很快(35亿年前，地球自转的速度约为现在的6倍，那时地球上的一天一夜只有4h)。地球转动产生的重力离心分力，使重物质下沉，轻物质上浮。活动性最强而又是最轻物质之一的水，便移向地球外壳。含在岩浆中的水,也随着以后岩浆的逐渐凝固被排挤出来。这些被挤压出来的水，呈水汽状态，在高空凝结为云，飘浮在地球上空。随着时间的推移，大气中水汽在增多，而地表的温度却在降低。大概在太古代初期，当地表温度降至水的沸点以下时，水汽就化作倾盆大雨降落到地表。据估计，大约在6亿年前，地表温度降低到30℃左右时，岩浆中挤出来的水，大约有99％都降落到地面，从而形成地球表面的水，构成江河湖海。地球是由太阳星云分化出来的星际物质聚合而成的，其基本组成有氢气、氮气及一些尘埃。固体尘埃聚集结合形成地球的内核，外面围绕着大量气体。地壳不断发生变动，有的地方下陷形成低地与山谷，有的地方隆起形成山峰，同时喷发出大量的气体。由于地球体积不断缩小，引力随之增加，这些气体已无法摆脱地球的引力，从而围绕着地球，构成了“原始地球大气”，原始大气由多种成分组成，水蒸汽是其中之一。喷到空中的水蒸气达到饱和时就冷却成云，变成雨，落到地面上，聚集在低洼出，逐渐积累成湖泊和河流，最终汇集到地表最低区域形成海洋。水在开始形成时，不论湖泊或海洋，水量不多，随着地球内部产生的水蒸气不断地被送入大气层，地面水量不断增多，经历几十亿年的地球演变过程，最后终于形成了现在所见的江河湖海。

水的构成

水是含有两个氢原子和一个氧原子的分子化合物。氢有三种天然存在的同位素1H,2H(D),3H(T))。氧有六种同位素(14O,15O,16O,17O,18O,19O)。天然存在的水绝大部分都是1H

16O。

2水的分子结构

氢和氧原子组合成水分子。每个分子的一端都有弱电荷。氧的一端带弱负电荷，氢的一端带弱正电荷。2端各显相反电性的分子叫极性分子，水由极性分子构成，是极性物质。水分子通过正、负静电引力与附近的四个水分子以氢键相联系。氢键使水分子发生缔合，缔合的水减弱了水分子的极性，传递离子的能力也降低，故长期静置的水缔合程度大，“活性”严重丧失而成为“死水”。在加热、磁场等作用下，水分子间的氢键将被不同程度地破坏，从而降低了缔合度而活化。因此，物质一般在热水中溶解度大；热水洗涤效果好，都与水的缔合度降低有关。

水的相态

自然界中水有三种相态即液态、气态和固态。

液态水

液态的水通常不是以单个水分子的形式存在，而是通过氢键产生缔合分子。水的缔合是放热过程，水的离解则是吸热过程。所以温度升高，水的缔合程度的下降，即(H2O)x的x 值减小；温度降低，水的缔合度增大，即(H2O)x的x值增大。在高温时，水主要以单分子状态存在，水变为水汽；在低温时(273.15 K以下)水结成冰，全部水分子缔合成一个巨大缔合分子。

气态水

气态水绝大多数以单分子形态存在，所以其在常温常压下密度很小。

一般，随着压力的增加，水的汽液两态转化的温度逐渐升高，即压力增加，水汽化的温度也随之增加；但当水汽的温度达到374.2℃时，无论压力有多大，都不会使气态水转化为液态水，该温度称作水的临界温度。所以气态水的密度在温度很高、压力足够大时会大于常温常压下的液态水的密度。

固态水

固态水（冰）中的每一个水分子都被相邻的四个水分子包围，每个水分子位于变形四面体的顶点，冰是由无数个这样的四面体通过氢键互相连结成一个庞大的晶体的。由于氢键的方向性要求，水分子不能做到紧密堆积，所以冰的晶体具有较大的空隙，即水结成冰后，体积增大，密度会比液态水减小，所以冰可以浮在水面之上。但是当压力达到2.0265ⅹ10^8 个大气压时，它的密度又会变得比水大，在水中下沉到水底。水的冰点（冻结温度）和沸点会随着压力的变化而变化。当压力大于599.949Pa时，水的冰点降低，但是沸点升高。

这种性质使水呈现液态的范围变大，使大洋深处的水不会冻结，同时使高压下的液态水不容易被蒸发。

冰融化成水或水变为水汽，都首先需要外界环境供给能量来破坏水分子间的氢键。当然，水在反向转化时会释放出同样的热量。

水的密度

物质单位体积的质量称作密度，而单位体积的重量称作重度。对一般物质来说，密度都随温度的增加而降低。因为温度越高，分子间的距离就越大。但水的密度与温度的关系是反常的。大多数物质由液态凝固而变成固态时，其密度会随之增高。但水却相反，其结冰（冻结）时，反而密度减小。无杂质的纯水，在0℃时密度为0.99987kg／L，在4 ℃时密度最大，为1kg／L。当温度大于或小于4℃时，水的密度将减小。水自液体状态变为固体状态，其密度要发生突变。在正常大气压下，水结冰时，体积会突然增大11%左右；与此相对应，冰融化时体积又会突然变小。在1个标准大气压条件下，纯净的水的密度和重度随温度变化。当冰开始融化成水时，冰的氢键结构中的氢键断裂，晶体结构崩溃，体积缩小而密度增大。如果有更多热能输入体系，将引起：

更多氢键破裂，结构进一步分崩离析，密度进一步增大；体系温度继续升高，水分子动能增加、振动加剧，而每一分子占据更大体积空间，所以这一因素又使水密度趋于减小。这就是为什么水在1个大气压下4℃或精确地说应该是3.98 ℃时密度为最大的原因。

比热

一定质量的物质，在不发生化学反应和相变的情况下，温度每升高1 ℃所吸收的热量称为该物质的热容量或热容。单位物质的热容称为比热容，简称比热。不同的物质增加相同的温度，比热越大的物质需要吸收的热量越多。水的比热在所有液体和固体物质中是最大的为4.186J/(g. ℃) ，而冰和水汽的比热约减为液态水的一半。所以水被大量地用作工业冷却介质或加热介质。水的热容量比大多数物质的热容量都大(只有氢、铝等的热容量比水大)。

例如，土和砂之类的物质，热容量为0.84J/g·℃，铁和铜等金属仅为0.42J/g·℃，酒精和甘油为1.26J/g·℃，铂为0.12J/g·℃，木料为0.6 J/g·℃。

这种水与土之间热容量的巨大的差异，反映在气候学上，就是海洋性气候比大陆性气候升温慢，降温亦慢，变幅较小的现象。除汞和液态水外，一切物质的单位热容量都随温度的升高而增加。在0~35℃，水的单位热容量随温度升高而降低，

在35℃以后，水的热容量则随温度的升高而增加。水的热容量和水的密度一样，与温度的关系不是直线，而是曲线关系。水的高比热是由于水形成了分子间氢键所引起的。若要

使水分子运动加剧，不但要提供能量去克服分子间范德华力的束缚，还要提供额外的能力去克服分子间氢键的束缚。

传热性

水的传热性很差。在常压下20℃时，液态水的热导率为0.006J/(s.cm. K) ；冰的热导率0.0226 J/(s.cm. K) ；雪的热导率与其密度有关，当雪的密度为100kg/m3时，其热导率为0.00029J /(s.cm. K) 。即当温度的梯度在1cm深变化为1℃时，顺着温度梯度，在1s内通过1cm2面积的热量。因此，冬天植被覆盖一层厚厚的雪，会很好地抵御寒冷的侵袭，使植物免遭冻害。也由于这一特性，天然水体封冻时冰体增厚的速度很缓慢，即使在水面长期封冻时，河流深处仍然可能呈现液体，因而对水下生命具有重要意义。水的这一特性对指导农业灌溉也有意义，如进行冬灌能提高地温，防止越冬作物受大气低温的冻害。

蒸发热（汽化热）

水从液态转变为气态的过程叫做汽化，水表面的汽化现象叫做蒸发。水的蒸发需要消耗热量，是个吸热过程，单位质量液态水蒸发为气态水所需要的热量称作蒸发热，也叫汽化热。水的汽化热随着温度升高而降低，

液态水的汽化和水汽的凝结都是一个动态过程，当双方达到平衡时，宏观的汽化现象即停止。此时液态水的压强称为饱和蒸气压强，或称作汽化压强。水的汽化压强于温度有关，不同温度条件下水的汽化压强见表。

水的粘滞性

水是具有粘滞性的。当水处在运动状态时，若水质点之间存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称为水的粘滞性，此内摩擦力又称为粘滞力。粘滞性是水的基本性质之一，只有在相对运动时才显示出来，静止状态不显示粘滞性。

水是一种理想的牛顿流体，符合牛顿内摩擦力定律，即内摩擦力大小与水的性质有关，并与流速梯度及接触面积成正比，而与接触面上的正压力无关。即

水的表面张力

表面张力是水以及固体的边界分子联结、“集合”、缩小体积(内聚力)的一种能力。水的表面分子凝聚形成张力膜，若要破坏张力膜需要相当大的力。所有液体都有力图缩小其表面的趋势，这是由表面张力的作用造成的。表面张力仅在液体与其他介质（如气体或固体）分界面附近的液体表面产生，液体内部并不存在，所以它是一种局部受力现象。由于表面张力很小，一般说来对液体的宏观运动不起作用，可以忽略不计，只有在某些特殊情况下，才显示其影响，比如毛细作用。由于表面张力所表现出的水的毛细作用，在自然界的威力是巨大的：地下水的蒸发、土壤水的增减（补给排泄）、大气降水对地下水的补给、植物的水分补给等等无不与之有关。

水的弹性及压缩性

压强增高时，分子间的距离减小，液体宏观体积减小，这种性质称为液体的压缩性。因为在压力释放时，被压缩的水的体积会相应的增加，所以水的压缩性也叫做水的弹性。在压强不大的条件下，水的压缩性可以忽略，相应水的密度和重度可视为常数。只有当压强变化很大而又非常迅速时，才考虑压缩性。如输水管路中的水击现象，就必须考虑水的压缩性，否则，将会导致错误的结果。一般情况下，水看作是不可压缩的液体。水击现象发生时，压力升高值可能为正常压力的好多倍，使管壁材料承受很大应力；压力的反复变化，会引起管道和设备的振动，严重时会造成管道、管道附件及设备的损坏。

水的光电性质

纯水具有极微弱的导电能力；但是自然界中的水是含有多种电解质的溶液，所以是良好的电导体。自然界水的导电能力受水中含盐量多少的影响，其含盐量越高，导电能力就越强。

水是一种无色透明的液体，也是光线的良导体。光在水中的传播速度为空气中的75% ，所以光会在空气和水的交界面上产生折射，水的折射率为1.33。也正是由于光在水中的传播速度比在空气中的小，当以空气为界面的情况下，在水中的光可以产生全反射。

重水和它的物理性质

氢和氧的同位素[1H、2H（氘、D）和3H（氚、T）；14O、15O、16O、17O、18O和19O]由于它们组合成的水分子可达数十种，通常所说的“纯水”实际是这些不同水分子的混合物。不过由于各种同位素的自然丰度不同，所以含量相差很大。天然水中主要是1H16O，另外含0.2%的1H218O、0.04%的1H217O、0.03%1HDO和0.0005%的D2O。D2O俗称重水。核工业的发展以及新技术的建立，重水已成为广泛应用、大量生产的化学物质。因此，人们非常关注重水的特性和生物效应。D20与H2O相比虽多了2个中子，性质却有显著的不同。D2O 的蒸发热、沸点、表面张力、粘度及密度等都比H2O高，这反映D2O分子间力比H2O强。但是D2O 的离子积比H2O小得多，这表示从-OH上解离出H+ 比从-OD上解离出D+容易。