水的分子结构、性质和用途

一、水分子的结构

化学式：H₂O

分子构成：氢原子、氧原子。

结构式：H—O—H（两氢氧键间夹角104.5°）。

相对分子质量： 18.016

极性分子：因为水分子的中心原子是氧原子，它的杂化方式是sp3杂化，空间几何构型本来是正四面体，但是因为这四个方向被两个孤对电子占据了，导致整个分子键与键之间形成的夹角不一样，孤对电子—孤对电子〉孤对电子—成键电子〉成键电子—成键电子。所以水分子中两个O-H键之间的夹角不是180度，因此水分子是不对称的极性分子。

根据IUPAC规定，H₂O分子的正式名称只有两种：水(Water)与氧烷(Oxidane)。

根据其化学组成，人们又给水以下别称：

根据化学式：氧化氢和一氧化二氢；

类比VIA族与VIIA族其它化合物命名规律：氢氧酸、酸式氧；

类比金属氢氧化物（碱）命名规律：氢氧化氢、苛性氢、羟基氢、碱式氢。

上述名称虽各不相同，但描述的都是同一种物质——水。

虽然可以根据水的化学式得到以上读法，但是只有IUPAC规定的“水”与“氧烷”是正式名称，其它名称都不能在正式科学场合使用。在“水”的前面加上定语，可以用来区分特殊种类的水，比如蒸馏水、去离子水或重水。

二、水的性质

⒈ 物理性质

⑴ 性状：纯净的水在常温常压下为无色、无味的透明液体。

⑵ 密度：1.0×10³ kg/m³（4℃时）。冰的密度比水小

⑶ 熔点（ºC）：0

⑷ 沸点：100℃（海拔为0m，气压为一个标准大气压）。

⑸ 折射率（20ºC）：1.33298

⑹ 沸点（760mm汞柱）：100ºC

⑺ 运动黏度（mm2/s，20ºC）：1.0019

⑻ 蒸发热（KJ/mol）：44.23

⑼ 熔化热（KJ/mol）：6.01

⑽ 生成热（KJ/mol，25ºC）（气体）：-241.99；（液体）：-286.02

⑾ 比热容（KJ/(kg·K)，20ºC，定压）：4.18

⑿ 蒸气压（kPa，20ºC）：2.34

⒀ 临界温度（ºC）：374.2

⒁ 临界压力（MPa）：22.1

⒂ 沸点上升常数：0.515

⒃ 电导率（S/m，25ºC）：5.89×10^-8

⒄ 热导率（W/(m·K)，30ºC）：0.62802

⒅ 体膨胀系数（K-1，20ºC）：0.000207

⒆ 溶解性：水对各种物质都具有亲和性。

⒇浮力分类：悬浮、漂浮、沉底、上浮、下沉。

有的水可以导电，但是蒸馏水（纯水，电解物质只有氢原子和氧原子）是不会导电的。

水密度的变化：

水的密度在3.98℃时最大，为1.0×10³kg/m³，温度高于3.98℃时（也可以忽略为4℃），水的密度随温度升高而减小，在0～3.98℃时，水热缩冷涨，密度随温度的升高而增加。

原因：主要由分子排列决定。也可以说由氢键导致。由于水分子有很强的极性，能通过氢键结合成缔合分子。液态水，除含有简单的水分子(H₂O)外，同时还含有缔合分子(H₂O)₂和(H₂O)₃等，当温度在0℃水未结冰时，大多数水分子是以(H₂O)₃的缔合分子存在，当温度升高到3.98℃（101kPa）时水分子多以(H₂O)₂缔合分子形式存在，分子占据空间相对减小，此时水的密度最大。

如果温度再继续升高在3.98℃以上，一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了。水温降到0℃时，水结成冰，水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子，在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻两个氢键这种排布导致形成一种敞开结构，冰的结构中有较大的空隙，所以冰的密度反比同温度的水小。

⒉ 化学性质：

⑴ 稳定性：在2000℃以上才开始分解。

水的电离：水本身部分发生电离，纯水中存在下列电离平衡：H₂O⇌H⁺＋OH⁻

或 H₂O＋H₂O⇌H₃O⁺＋OH⁻。

［H+］［OH-］＝K［H₂O］＝Kw。Kw为水的离子积，22℃时为1.00×10-14。

在水中，几乎没有水分子电离生成离子。

水中氢离子浓度的负对数值称为pH值，pH＝7为中性，7以下为酸性，7以上为碱性。

由于仅有一小部分的水分子发生上述反应，所以纯水的pH值十分接近7。

⑵ 水的氧化性：水跟较活泼金属或碳反应时，表现氧化性，氢被还原成氢气。

2Na＋2H₂O＝2NaOH＋H₂↑。

Mg＋2H₂O＝Mg（OH）₂＋H₂↑。

3Fe＋4H₂O（水蒸气）＝Fe₃O₄＋4H₂↑（加热）

C＋H₂O＝CO＋H₂（高温）

⑶ 水的电解：

水在直流电作用下，分解生成氢气和氧气，工业上用此法制纯氢和纯氧

2H₂O=通电=2H₂↑＋O₂↑（分解反应）

⑷ 水化反应：

水可跟活泼金属的碱性氧化物、大多数酸性氧化物以及某些不饱和烃发生水化反应。

Na₂O＋H₂O＝2NaOH

CaO＋H₂O＝Ca(OH)₂

SO₃+H₂O＝H₂SO₄

P₂O₅＋3H₂O＝2H₃PO₄

CH₂=CH₂＋H₂O⇌C₂H₅OH

⑸ 水解反应

盐的水解：NaAlO₂＋HCl＋H₂O＝Al(OH)₃↓＋NaCl（NaCl少量）

氮化物水解：Mg₃N₂＋6H₂O=(加热)=3Mg(OH)₂↓＋2NH₃↑

碳化钙水解： CaC₂（电石）＋2H₂O（饱和氯化钠）＝Ca(OH)₂＋C₂H₂↑

卤代烃水解： C₂H₅Br＋H₂O（加热下的氢氧化钠溶液）⇌C₂H₅OH＋HBr

醇钠水解：C₂H₅ONa＋H₂O→C₂H₅OH＋NaOH

酯类水解：CH₃COOC₂H₅＋H₂O（铜或银并且加热）⇌CH₃COOH＋C₂H₅OH

多糖水解：（C₆H₁₀O₅）n＋nH₂O⇌nC₆H₁₂O₆

⑹ 水分子的直径数量级为10的负十次方，一般认为水的直径为2～3个此单位。

⑺ 水是两性物质，既有氢离子（H⁺），也有氢氧根离子（OH⁻）。但纯净蒸馏水是中性的。

⑻ 水的硬度：

水的硬度最初是指钙、镁离子沉淀肥皂的能力。我们将水中这些金属离子的总浓度称为水的硬度。如在天然水中最常见的金属离子是钙离子（Ca2+）和镁离子（Mg2+），它与水中的阴离子如碳酸根离子（CO32-）、碳酸氢根离子（HCO3-）、硫酸根离子（SO42-）、氯离子（Cl-）、以及硝酸根离子（NO3-）等结合在一起，形成钙镁的碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、氯化物、以及硝酸盐等硬度。水中的铁、锰等金属离子也会形成硬度，但由于它们在天然水中的含量很少，可以略去不计。因此，通常就把Ca2+、Mg2+的总浓度看作水的硬度。

水的硬度分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度两种。

碳酸盐硬度：主要是由钙、镁的碳酸氢盐[Ca(HCO₃)₂、Mg(HCO₃)₂]所形成的硬度，还有少量的碳酸盐硬度。碳酸氢盐硬度经加热之后分解成沉淀物从水中除去，故亦称为暂时硬度。

非碳酸盐硬度：主要是由钙、镁的硫酸盐、氯化物和硝酸盐等盐类所形成的硬度。这类硬度不能用加热分解的方法除去，故也称为永久硬度，如CaSO₄、MgSO₄、CaCl₂、MgCl₂、Ca(NO₃)₂、Mg(NO₃)₂等。

碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度之和称为总硬度；水中Ca2+的含量称为钙硬度；水中Mg2+的含量称为镁硬度；当水的总硬度小于总碱度时，它们之差，称为负硬度。

硬水和软水的区别，就是水中含有钙、镁化合物的多少程度。

生活中可用肥皂水鉴别软硬水，将肥皂水加入被测水后振荡，泡沫多浮渣少的是软水，反之比较硬。

水的硬度对锅炉用水的影响很大，在水被加热的过程中，由于蒸发浓缩，容易形成水垢，附着在受热面上而影响热传导，因此，应根据各种不同参数的锅炉对水质的要求对水进行软化或除盐处理。

三、水的用途

1.水是人类的生命之源

水是所有生命体的重要组成部分，人体中水占体重的70%，水是维持生命必不可少的物质，是人体的生命之源。

在地球上，哪里有水，哪里就有生命。一切生命活动都是起源于水的。人体内的水分，大约占到体重的65%。其中，脑髓含水75%，血液含水83%，肌肉含水76%，连坚硬的骨骼里也含水22%！没有水，食物中的养料不能被吸收，废物不能排出体外，药物不能到达起作用的部位。人体一旦缺水，后果是很严重的。缺水1%-2%感到渴；缺水5%口干舌燥，皮肤起皱，意识不清，甚至幻视；缺水15%心跳急促、失忆，意识就快消失。缺水20%晕倒，像死一样。往往甚于饥饿。没有食物，人可以活3周，如果连水也没有，顶多能活3天。

水对人体的主要作用为：

⑴构成细胞：水是构成细胞、组织液、血浆等的重要物质。如果细胞失水过多，会导致皱缩甚至衰老等情况出现，对人体产生不利的影响。

⑵运输营养：水可以作为溶剂，溶解物质，是体内一切化学反应及各种营养素吸收和运输的介质，可以促使摄入的营养物质充分溶解，并且将其运输到机体的各个组织部位，保证机体正常的运行。

⑶润滑：水具有一定的润滑作用，泪液、唾液的分泌可以有效的减少脏器、组织之间的摩擦刺激，能够帮助机体保持正常的运动协调。水在关节腔中形成润滑液，减少了骨头之间的摩擦，使得关节能够更加灵活顺畅地运动。

⑷ 促进代谢：水是身体代谢过程中必不可少的物质，能够促进新陈代谢，加速身体内营养物质的吸收和废物以及毒素的排出，完成机体正常的物质交换，参与调节体内酸碱平衡。

⑸ 维持身体水分平衡：水分是维持身体生命活动的基础，喝适量的水可以帮助身体维持水分平衡，保持正常的生理功能。在饮用水中,含有许多丰富的矿物质,如钙、镁、铁、铜、铬、锰等元素,这些元素含量适当则对人体健康有益。

⑹ 帮助消化：适量的水可以促进胃肠道的蠕动，帮助食物消化，预防便秘等问题。

⑺ 调节体温：水对体温调节起着重要的作用，如果外界温度较高，会通过体内水分蒸发来散热，降低温度。

⑻ 滋润皮肤：当人体体内缺乏水分时，会表现为皮肤干燥、粗糙、皲裂、蜕皮、面色苍老等症状，因此，水还有滋润皮肤的作用。

⑼ 预防疾病：在日常生活中预防各种疾病，也需要多喝水促进身体新陈代谢，以排出体内的毒素，以避免患上某些疾病。

2.水是植物的生命源泉

水利是农业的命脉，农业需要大量的水来浇灌农作物。用手抓一把植物，你会感到湿漉漉的，凉丝丝的，这是水的缘故。植物含有大量的水，约占体重的80%，蔬菜含水90%-95%，水生植物竟含水98%以上。水替植物输送养分；水使植物枝叶保持婀娜多姿的形态；水参加光合作用，制造有机物；水的蒸发，使植物保持稳定的温度不致被太阳灼伤。

植物不仅满身是水，作物一生都在消耗水。1公斤玉米，是用368公斤水浇灌出来的；同样的，小麦是513公斤水，棉花是648公斤水，水稻竟高达1000公斤水。一籽下地，万粒归仓，农业的大丰收，水立下了不小的功劳呢！

3.水是工业的血液

许多工业生产过程需要用大量的水，如发电、制药、造纸等。工业生产离不开水，如原料用水、产品处理用水、锅炉用水、洗涤用水、冷却用水等。

水，参加了工矿企业生产的一系列重要环节，在制造、加工、冷却、净化、空调、洗涤等方面发挥着重要的作用，被誉为工业的血液。例如，在钢铁厂，靠水降温保证生产；钢锭轧制成钢材，要用水冷却；高炉转炉的部分烟尘要靠水来收集；锅炉里更是离不了水，制造1吨钢，大约需用25吨水。水在造纸厂是纸浆原料的疏解剂、解释剂、洗涤运输介质和药物的溶剂，制造1吨纸需用450吨水。火力发电厂冷却用水量十分巨大，同时，也消耗部分水。食品厂的和面、蒸馏、煮沸、腌制、发酵都离不了水，酱油、醋、汽水、啤酒等，其实就是水的化身。

4.雨水的药用功能

雨水，又名无根水，中医认为其性轻清，味甘淡，诸水之上也。夏日尤佳。饮之可以去病。

水在制药过程中也起到重要作用。水治疗可以缓解某些病症，如关节炎。水也被用来清洁和消毒医疗用品和手术器械。

⒌ 水在日常生活中的应用

水是人类日常生活必备的物质，我们在生活中处处都需要水，比如做饭、洗涤、沐浴、清洁、洗漱等。水给我们的生活带来了极大的方便。

饮用：水是人体必需的物质，饮用水可以满足人体的生理需求，保持身体健康。

烹饪：水是烹饪的重要原料，可以用来煮饭、煮菜、煮汤等。

清洗：水是清洗的最基本工具，我们需要用水来清洗食物、衣物、身体等等。

⒍水是制备纯水的原料

方法主要有蒸馏法和离子交换法。

将自来水直接蒸馏可获得一般实验所需的蒸馏水。对于重要的物理化学和分析化学实验，通常采用二次或三次蒸馏水，这种蒸馏最好在石英装置中进行，所得的纯水应收集在耐高温玻璃、石英或聚乙烯瓶中。

为了除去水中的有机杂质，最好在每升被提纯的水中加入0.05g KMnO₄，半小时后加入0.5～1g钾明矾，再过半小时后加入0.66g Na₂HPO₄，静置半小时后过滤，滤液煮沸10分钟后再加入蒸馏瓶中进行蒸馏，除去馏出物开头和最后的馏份（各10%）。

离子交换法是制备高纯度水的更好方法，离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，两种树脂在装柱前分别进行预处理。

阳离子交换树脂先用自来水反复漂洗除去其中的色素、水溶性杂质及其他夹杂物，直至水清无泡沫，并用纯水浸泡4小时。然后用5%的盐酸溶液浸泡树脂（以没过树脂为宜）4小时，适当搅拌，将盐酸排尽后以纯水反复洗至近中性为止。

阴离子交换树脂同样用水反复漂洗直至水清无泡沫，并用纯水浸泡4小时。再用5%氢氧化钠溶液浸泡4小时，适当搅拌，然后将氢氧化钠溶液排尽，以纯水反复洗至近中性为止。

处理好的树脂装入准备好的有机玻璃交换柱中，交换流程按阳离子交换柱阴离子交换柱混合树脂交换柱（阳、阴离子交换树脂充分混匀）的顺序设定。控制一定流速向交换柱中通入蒸馏水（或自来水），从混合树脂交换柱中流出纯水，当水质达到要求后即可使用。

⒎其它

⑴调节气候：水对气候具有调节作用。如果没有水，地球上的气候或许就不适宜人类生存。

⑵运输：水被用于运输，如航运和旅游工业。水道是重要的交通运输通道。

⑶美化环境：水可以作为装置和美化人造环境的一部分，如喷泉、河流和湖泊等。

⑷体育休闲：水可以发展水上运动和娱乐等。水运动和水上娱乐活动是很受欢迎的，如游泳、潜水、冲浪和帆船等。

水在我们的生活中扮演着极其重要的角色，无论是日常生活、工业生产还是自然生态，都离不开水的支持。