你了解“水”吗？

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水是我们最熟知的物质之一，由于它的液体状态的普遍存在，也许在人们的心目中比空气还要有实体感。水的气、液、固三态以及它们之间的转变，不仅在小学的自然课中读到过，而且总是被初中化学课本选来作为物质的物理变化的最佳范例。

其实，如果把水的化学组成和它的性质与它在元素周期系中相邻的其他非金属氢化物相比较，其差异之大却是始料不及的。



密度

  

虽然习惯上总是把水作为衡量其他物质的密度、体积等性质的基准，即4℃时纯水的密度定为1.0000克／厘米3。而实际上水本身在密度和其他一些性质上却是表现最异常的物质之一。一般的物质在受热时都会因体积受热膨胀而导致本身的密度下降，水也具有这种特性，但在0℃到4℃之间却出现异常，此时随着温度的升高，水的体积反而不断缩小，到4℃时密度达到最大。图4．1表示了水的密度和温度间的关系，图中的汞则呈现极规则的线性变化（这也是选择汞作温度计中示温介质的原因之一），表现出它们的迥然不同。

若是继续冷却，在低于0℃时，水的体积会继续增大。若水处于完全静止状态，没有尘埃或冰晶粒作为“种晶”时，没有溶解气体的水，可以一直冷却到-70℃而不结冰！即处于“过冷”这样一种“介稳状态”。此时若有轻微的扰动，哪怕是苍蝇在容器外轻轻地撞击，或者加入少量微小的冰粒或尘埃，过冷水便会在刹那间结成冰，温度由-70℃急速上升到0℃。水也可以“过热”的状态存在，最高温度可达150℃左右。当然过热水也是很不稳定的，只要往其中吹入几个小气泡或对容器稍作扰动，它就会立即沸腾，容器中水的温度立即降到100℃。



水冻结时体积突增11％左右。0℃的冰融化时体积会突然缩小。这种变化对自然界和工业设备都会产生很大影响。若在封闭的空间内，水结冰时可产生高达2.5×105千帕的过剩压力，巨石因而粉身碎骨，密封的管道或容器变得四分五裂，都是这种过剩压力所显示的破坏作用。

倘若水本身不是处在正常的大气压力下（100千帕），而是受到更高的压力的作用时，水结冰的温度将随着压力的升高而降低，大约每升高1.3×104千帕，冰点降低1℃。如在5×104千帕下，水在-4℃开始结冰，但到了2.2×105千帕时，冰点就降到-22℃了。这种性质在其他物质中是极罕见的。因此大洋深部的水不易冻结（比如4000米深的纯水，其冰点也应当达到-3℃以下），和这个性质有很大关系。这一点也使得水生生物在严寒的极地能够生存。

液态水的密度在4℃～100℃之间随着温度的上升而减小，100℃时为0.95838，与4℃时相比，减小了4％左右。

水中所含矿物质的量增加时，其密度增大（水溶液的密度），而且随着压力的增大而增加。例如，全球大洋表面水的密度为1.02813克／厘米3， 10千米的深处就增加到 1.07104克／厘米3，表明水仍是可以压缩的。有人作过估算，如果水是不可压缩的，那么大洋的水面要比现在高出30米，我国的沿海一带可能将大部分淹没于水下了。

  

沸点和冰点

  

与元素周期表中同在ⅥA族的其他元素的氢化物如H2S、H2Se和H2Te相比，H2O的相对分子质量最小。按照族中其他氢化物的沸点与冰点变化规律，H2O的冰点应在-120℃～-90℃之间，沸点则应在-100℃～-75℃之间。这个理论上应当得到的数值，和我们从小就知道的“水在0℃时结冰和水在100℃时沸腾”（应当指明在1.01×102千帕的压力下）相差是如此之大！

水的沸点随压力的增加而升高，人们常根据这一点，利用高压锅炉产生高温（＞100℃）水蒸气。在西藏高原上，因为气压低使得水的沸点低于100℃而造成食物不易煮熟的常识，是这一性质的另一例证。

水的冰点和压力之间的关系，只要有过溜冰经验读者，一想起当时冰在冰刀压力作用下局部融化成水的感觉，就会有所体会。但靠人体的体重所能达到的压强是不高的，大概超不出在 2.2×105千帕压力下冰因压力增加而冰点降低的“正常”范围。超过这个压力限度后，压力增大时水的冰点反而逐步升高。4.0 ×105千帕下水于-17℃时结冰；6.2×105千帕下为0℃；1.65×106千帕下为60℃；到了2.1×106千帕时达到76℃，成了地地道道的“热冰”！图 4．2是一张水的相图，主要表示了在不同压力下水所形成的不同的冰的物相位置。其中包含了上面曾读到过的“热冰”，即冰Ⅵ。其中没有气相的水，这是因为气相的水只能在低压下才能与液态的水或固态的冰同时存在。至于以气、液和固三种状态同时存在的条件是十分苛刻的，需要T=0.0075℃，p=0.616千帕。这个点叫做三相点（见图4．3）。值得提及的是，第一个三相点的精确值是由我国已故的著名化学家黄子卿在1938年完成的，而且后来的修正值和他原来所测得的数值十分相近。





在所有的物质中，其物相变化的复杂性能与水相匹敌的，至今仍无对手。



水的同位素亚种

  

由于氧和氢在自然界中都有多种同位素存在，所以在天然水中它们都将呈结合状态成为水的一个部分，但所占的份额则由同位素的丰度所决定。

虽然氢和氧各有5种同位素，即

1H，2H（D），3H（T），4H，5H；

14O，15O，16O，17O，18O。

其中4H、5H和14O、15O都属于半衰期极短的放射性同位素，例如4H的半衰期的量级为10-11秒。所以在讨论天然水的同位素亚种时，可以略去这些寿命极短的同位素所形成的“水”。

因此所应考虑的水是由1H、D、T和16O、17O、18O所组成的。根据组合律不难算出，由它们所组成的水的亚种应当共有18种之多！但以1H216O组成的水为主。所以一般说，在天然水中“轻水”占99.75％，含重氧的水占0.18％，含重氢的水（即平常所指的重水D2O或DHO）占0.017％。这是由每6800个氢原子中有一个氘原子的比例推算出来的。实际测定的结果是，天然水中的1H216O占 99.73％，D216O占3×10－4％。

本书不是专门价绍水的书，仅仅为了使读者容易理解，为什么20世纪后半期在科学发现中的两次重大的失误均与水有关而提供了一些背景材料。所以读者会感到，水的神奇不过只露出了冰山之一角而未尽兴。好在关于水的专著已有不少，有兴趣继续在水的领域内猎奇探秘的朋友是不难找到有关的读物的，在此不再赘述。关于上面已经提到过的水的许多“超常”或“异常”的性质，现在也有很多解释，但都不很成功。最平常的物质也是最神奇的物质，水则更为突出！可是如果没有科学家的提醒，人们是不会觉察到水在平凡的面貌下掩盖着的神奇的。“不识庐山真面目，只缘身在此山中”正是这种心态的绝妙写照。这对于有志于科学事业的青少年朋友来说，应当从中得到更多的启示。

jcq

学习了！

zhuangyiliu

全部在扯B毛
一知半解的复制
再说这有什么用
任何物质都可以说出一堆屁话来

jcq

原帖由 huyin008 于 2008-6-27 13:25 发表
学习这个有什么用？

人的生命就是从温柔的母腹到冰冷的骨灰盒之间的抛物线！请问学什么有用？

钳工

学无止尽，多懂得一点有何不好？

supuser

长见识了。