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May 26, 2022

水是一种分子式为 H2O 的化合物,其中两个氢原子通过极性共价键与氧原子键合。在常温常压条件下,它表现为两相体系,由无色无味的液体(严格意义上称为“水”)和无色蒸气(称为水蒸气)组成。如果温度等于或低于冻结温度,它会以固态(称为冰)发生。由于水是极好的溶剂,因此天然水中含有许多其他溶解物质,因此“水”一词" 通常表示式 H2O 的纯化合物和由它形成的(液体)混合物,与溶解在其中的其他物质。自然界中的水是生态系统的主要成分之一,是包括人类在内的所有已知生命形式的基础;这也是由于我们星球上生命的起源,它在民用、农业和工业用途中也是必不可少的;自古以来,人类就认识到它的重要性,将其确定为宇宙的主要组成元素之一,并赋予它一种深刻的象征价值,这种价值可以在主要宗教中找到。在地球上,水覆盖了地球表面的 71%,是人体的主要成分。人;这也是由于我们星球上生命的起源,它在民用、农业和工业用途中也是必不可少的;自古以来,人类就认识到它的重要性,将其确定为宇宙的主要组成元素之一,并赋予它一种深刻的象征价值,这种价值可以在主要宗教中找到。在地球上,水覆盖了地球表面的 71%,是人体的主要成分。人;这也是由于我们星球上生命的起源,它在民用、农业和工业用途中也是必不可少的;自古以来,人类就认识到它的重要性,将其确定为宇宙的主要组成元素之一,并赋予它一种深刻的象征价值,这种价值可以在主要宗教中找到。在地球上,水覆盖了地球表面的 71%,是人体的主要成分。宇宙,并赋予它深刻的象征价值,在主要宗教中都能找到。在地球上,水覆盖了地球表面的 71%,是人体的主要成分。宇宙,并赋予它深刻的象征价值,在主要宗教中都能找到。在地球上,水覆盖了地球表面的 71%,是人体的主要成分。

词源

术语水来自拉丁语 aqua,-ae,来自原始意大利语 * akʷā,反过来来自印欧语根 * h₂ékʷeh₂,“水”,在日耳曼地区(原始日耳曼语 * ahwō)和卢西塔尼亚语。古希腊语中的术语:ὕδωρ、ὕδατος、hýdōr、hýdatos 与原始日耳曼语 * watōr(来自印欧语词根 * wódr̥)有关,德国的 Wasser 和英国的水都源自于此;来自同一个印欧词根的拉丁文unda(意大利波)。

水的物理和化学

第一个科学发现

水是一种原始且不可分割的元素的信念一直持续到 18 世纪的最后几十年,当时科学家拉瓦锡和卡文迪许发现这种物质实际上由两种成分组成:氢和氧。 1742 年,安德斯·摄氏度定义了以他的名字命名的温标,将水的熔点(在正常大气压下)定为 100 度,沸点定为 0 度;然而,在 1745 年,林奈将其逆转,达到了我们今天所知道的规模。 1800 年,英国化学家威廉·尼科尔森 (William Nicholson) 通过电解过程首次将水分解为氢和氧(其基本成分)。事实上,水部分离解成 H + 和 OH- 离子,向电解池的两个极迁移,在那里发生以下反应: 阳极 (+):4 OH- → O2 + 2 H2O + 4 e- 阴极 (-):2 H + + 2 e- → H2 氧和氢气在电极表面以气泡的形式产生,可以从中收集它们。吉尔伯特牛顿路易斯于 1933 年分离出第一个纯重水样本(其中氢被其同位素氘取代)。 1960 年代后期出现了关于聚合形式的水(多水)存在的科学争议。现在人们一致认为这种聚水不存在。2007 年,由于使用了超级计算机和量子力学,水,从分子的量子力学原理出发,以正确的方式推断它们的行为。

水的物理形态

水在自然界有多种形式。固态称为冰,气态称为水蒸气。还已知两种其他固体形式,即玻璃冰和无定形、非结晶、玻璃状固体(无定形冰)。在极端压力下,冰可以呈现多种固态,用罗马数字编号。水的固体形式的范围如此广泛和多样,以至于它甚至无法与任何其他物质相提并论。我们处理的冰雪通常具有六边形晶体结构(冰Ih)。只有比六边形稍不稳定(亚稳态)的是立方体(冰 Ic)。冷却冰 Ih 导致形成不同的配置,冰 XI 的形状,其中质子具有高迁移率。在不同的温度和压力下,可能存在其他类型的冰,可以在冰相图中识别。这些包括:II、III、V、VI、VII、VIII、IX 和 X。从一种冰到另一种冰的转变是通过等温转变(与所有相变一样)发生的。在合适的条件下,所有这些类型甚至可以在室温下存在。各种类型的冰在晶体结构、排序和密度方面有所不同。冰的另外两个相是亚稳态的:IV 和 XII。 Ice XII 是由 C. Lobban、JL Finney 和 WF Kuhs 于 1996 年发现的。 XIII 和 XIV 型于 2006 年被发现。 除了结晶形式,水还可以以无定形状态存在:无定形固体水、低密度无定形冰、高密度无定形冰、极高密度无定形冰和过冷玻璃水。还有由氢同位素组成的水分子,而不是普通的大叔(11H),主要用于核领域。重水(D2O 或 21H2O)是氢原子被氘原子取代的水,氘原子是氢的同位素,原子量为 2 uma。其化学行为与水基本相同;与核裂变释放的中子相比,它是普通水(氢 + 氧)的慢化剂,但具有低得多的中子吸收截面,因此得到了应用。因此,在核领域,普通水也称为轻水。还有另一种不太稳定的形式,称为超重水(T2O 或 31H2O),其中氚原子(原子量为 3 uma 的氢同位素)代替氢原子。2016 年发现了第二种液态通过改变热膨胀和声音传播速度的方式,在 40° 和 60° 之间的温度下发生的水具有不同的介电常数和自旋晶格弛豫值。通过改变热膨胀和声音传播速度的方式,在 40° 和 60° 之间的温度下发生具有不同介电常数和自旋晶格弛豫值的水。通过改变热膨胀和声音传播速度的方式,在 40° 和 60° 之间的温度下发生具有不同介电常数和自旋晶格弛豫值的水。

水的状态变化

水是极少数存在的物质之一(连同镓、铋和锑),其中凝固过程随着比容的增加(约等于 0.087 L/kg,在 0°C (273.15 K) 的温度下发生) ) 在 1 个大气压的压力下),而其沸点为 100 °C (373.15 K)。这意味着随着温度的降低,固-液状态通道对应的压力显着增加:压力-温度相图中固-液通道线存在负斜率。特别是,温度每降低百分之一摄氏度 (0.01 °C),熔化压力就会增加大约一个大气压。这种关系在压力为 2070 atm 和温度为 -22°C 时得到验证,除此之外还有其他同素异形状态。在大气压 (1 atm) 下,水在 100 °C 的温度下沸腾。与所有其他物质一样,在转变过程中需要提供一定量的热量(称为潜热),在水的情况下,该热量高于任何其他已知物质:在 0°C 和 1 个大气压的条件下,该热量蒸发量实际上等于 2501 kJ/kg。在 90 °C 和 250 °C 之间,经验法则适用于蒸发压力 pvap {\ displaystyle p_ {vap}}(以巴为单位)等于蒸发温度 T vap {\ displaystyle 的百分之一的四次方T_ {vap}}(摄氏度):p v a p ( T v a p 100 ) 4 {\displaystyle p_{vap}\left({\;T_{vap}\, \over 100}\right)^{4}}\over 100}\right)^{4}}\over 100}\right)^{4}}

超离子水

1999 年的里雅斯特 SISSA 和的里雅斯特“Abdus Salam”国际理论物理中心 (ICTP) 从理论上预测了一种称为超离子或超离子冰的水相的存在。2018 年 2 月,劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员在《自然物理学》上发表的一项研究证实了它的存在。在一定压力后,氧离子呈晶格形式,典型的固体,而氢离子则处于液态。

水的理化性质

与其他分子质量相似或与元素周期表同族其他元素同源的物质(例如硫化氢)相比,液态的水有一些异常之处:沸点非常高;相当低的摩尔体积;至少35°C的高比热;在高压下表现出最小值的粘度;密度-温度图中的最高点,低于最高温度时,液体体积随着温度的升高而减少。此外,在冷冻过程中,体积会显着增加。由于冰中的氢键,结晶组织,仍然存在于液态水中,构成具有可移动内部键的腔隙大分子结构,其数量随着温度升高而减少,并形成一组动态平衡的簇状聚合物附聚物,以及自由分子或以链或环连接。与大多数固体形式的密度高于液体形式的其他物质不同,冰的密度低于液态水。事实上,水的密度在 4°C 时最大,这是水成为液体的温度。这正是由于氢键的性质,它比固态更紧密地固定液态水分子。扩容现象冷水对冬天生活在淡水环境中的所有生物来说都是福音。水在地表冷却,密度增加并向底部下降,引发对流均匀冷却整个盆地。当表面温度降至 4°C 以下时,该过程停止,由于阿基米德的推力,较冷的水留在表面,随着温度的进一步下降,它会形成一层冰。如果水没有这种特性,湖泊将完全冻结,因此所有存在的生命形式都会死亡。咸水的情况则不同:水中所含的盐分实际上降低了水的凝固点(降低了约 2°C,由于冷冻降低)和水达到其最大密度时的温度(最高约 0°C)。因此,在海水中,将较冷的水带到底部的对流运动不会像在淡水中那样被密度梯度阻止。出于这个原因,生活在北冰洋底部的生物在进化过程中不得不适应,以在接近 0°C 的温度下生存。在海水的正常盐度条件下,水在-1.9°C左右结冰。形成的冰基本上不含盐(因此它的密度几乎等于淡水冰的密度)。这种冰漂浮在表面,而被“排出”的盐分增加了周围水的盐度和密度,它通过对流向底部下降。物质的固、液相和气相相互平衡共存的温度和压力条件称为三相点。对于水,三相点被用作测量温度的参考,按照惯例确定为 273.16 K(和 0.01°C);水的三相点压力为 611.2 Pa,这是一个非常低的值,如果我们考虑到海平面的大气压力平均为 101,300 Pa。 水具有很高的表面张力,从球面几何可以看出水滴以及某些物体(例如针)或昆虫设法漂浮在水面上的事实。表面张力的另一个直接后果是毛细作用。它包括水在裂缝和非常细的管道中上升(显然是短距离)的能力。裂缝越薄,顶向位移(向上)就越大。表面张力在许多生物体的功能中起着至关重要的作用。一个例子是水在植物茎的木质部中的运输;表面张力使水柱保持在一起,粘附力使水粘附在木质部上。同样高而细的粘性较低且粘附性较低的液体柱会破裂,形成空气或蒸汽袋,使液体通过木质部传输效率低下(甚至不可能)。 L'纯(蒸馏)水是良好的电绝缘体(即不良导体)。但是,作为一种良好的溶剂,在实践中,它通常含有溶解在其中的微量盐,这些盐与它们的离子一起,使其成为电的良导体。通过简单地暴露在空气中,水会溶解其二氧化碳,形成非常稀的碳酸溶液,其 pH 值可以达到 5.6。同样,雨滴的酸度总是最低的。大气中硫或氮氧化物的存在,通过它们在雨滴中的溶解,导致pH值低于5的酸雨(在意大利也有酸雨的pH值在3、5左右),其对环境的影响要严重得多。海水的pH值在7.7到8.4之间。

水的偶极性质

水的一个重要特性是由其分子的极性决定的,分子偶极矩等于 1.847 D。水分子的形状类似于一个四面体,氧原子在中心,两个氢原子和两个氢原子。顶点和两个未共享的电子双峰(孤对)到另外两个。后者,由于静电排斥,四面体结构略微扭曲,导致两个OH键形成的角度为104.45°,小于正四面体的109.5°。电子更容易被氧原子吸引,这比氢更具电负性,因此 H 原子和 O 原子之间形成的键称为“极性共价键”,因为它们具有对应于氧原子 (2 δ-) 的部分负电荷和对应于氢原子 (δ +) 的部分正电荷。非常重要的是,作为两性化合物的水会以极其有限的方式将自身分解为氢氧根阴离子和氢氧根阳离子。事实上,准确的测量表明,纯水在 25°C 和环境压力下的 pH 值为 7.00。表现出这种电荷不平衡的分子被称为电偶极子。电荷使水分子相互吸引。这个景点在水的强度特别大(即使它比分子内部的共价键弱得多),并以氢键(或 H 键)的名称命名,并解释了水的许多典型物理特性。例如,氢键的存在解释了水的熔点和沸点的相对较高的值:需要更多的能量(与极性较小的物质相比)来破坏将分子结合在一起的氢键。对彼此。例如,硫化氢 H2S(几何形状相似但不能形成氢键)在室温下是一种气体,尽管其分子量几乎是水的两倍。高比热容也归因于氢键。氢键也解释了水结冰时的异常行为:由于这种结合,当温度降至冰点时,水分子会自行组织成具有冰典型六边形对称性的晶体结构,密度低于冰,即液态水。由于冰的密度小于液态水,因此即使压力增加,冰也可以融化。事实证明,这种压力相当大。在固态下,每个水分子通过四面体结构中的氢键与其他四个分子结合,形成由六边形环组成的三维构象。在液态下,由于氢键 (H-两个分子之间的键)诱导另一个分子的形成,引发一种连锁反应。每个域都有类似于冰的结构;根据美国的一项研究,在 0 到 100°C 的温度和大气压之间,每个水分子平均被另外 4.7 个分子包围,相邻分子的两个氧原子之间的距离约为 3 Å,因此非常短-范围相互作用是有影响的。特别是,在上述条件下,每个水分子与相邻的水分子建立了大约 1.35 个氢键。 L'这些域的存在使水具有高度的结构化,这决定了许多独特的特性。域的平均寿命是一个非常有争议和争论的话题。撇开最近对所谓的“水的记忆”或多或少的争议不谈,一个域的平均寿命通常被认为是 0.1 ns 的数量级,但有理论和实验证据表明它可以更长的时间,即几秒钟甚至更长时间;然而,根据其他研究,它会更短,约为 50 fs。此外,最近已经确定水中的弛豫过程发生在不同的时间尺度上。这意味着不同的分子聚集体共存,每一个都有自己的结构,这导致了一个极其复杂的画面。生物大分子和超分子结构与附近的水分子(水合水)相互作用,改变它们的一些特性,进而改变它们的特性。例如,水化层的水分子具有优先取向和有限的旋转和平移运动自由度,这使得相关时间从纯水的 10-12 秒变为水的 10-6 ÷ 10- 9 秒来自水合壳。水形成笼形水合物,由围绕外来分子或离子的水分子“笼子”组成。除了对其结构的兴趣,这说明了哪个组织可以强制执行氢键,笼形水合物通常被认为是水似乎围绕非极性基团(例如蛋白质)组织自身方式的模型。一些离子化合物形成笼形水合物,其中阴离子结合到氢键的框架中。这种类型的包合物经常与非常强的氢键受体一起出现,例如 F- 和 OH-。水分子还介导了一些链内和链间氢键网络,有助于胶原蛋白的稳定和折叠,胶原蛋白是自然界中最重要的蛋白质之一。阴离子被结合到氢键的框架中。这种类型的包合物经常与非常强的氢键受体一起出现,例如 F- 和 OH-。水分子还介导了一些链内和链间氢键网络,有助于胶原蛋白的稳定和折叠,胶原蛋白是自然界中最重要的蛋白质之一。阴离子被结合到氢键的框架中。这种类型的包合物经常与非常强的氢键受体一起出现,例如 F- 和 OH-。水分子还介导了一些链内和链间氢键网络,有助于胶原蛋白的稳定和折叠,胶原蛋白是自然界中最重要的蛋白质之一。

水作为溶剂

在化学上,水是一种很好的溶剂。水的溶剂特性对生物来说是必不可少的,因为它们可以让构成生命本身基础的复杂化学反应发生(例如,发生在血液或细胞质中的化学反应)。水的溶剂行为由其分子的极性决定:当离子或极性化合物溶解在水中时,它被水分子包围,水分子插入一个离子和另一个离子之间或一个分子和另一个溶质分子之间(由于它们的小尺寸),将自身定向以便向溶质的每个离子(或极性端)呈现自身带有相反电荷的部分;这削弱了离子之间(或极性分子之间)的吸引力并破坏晶体结构;然后发现每个离子(或每个极性分子)都是溶剂化的(或水合的),即完全被与其相互作用的水分子包围。 离子溶质的一个例子是普通食盐(氯化钠),极性分子溶质的一个例子是糖。一般来说,极性离子物质(如酸、醇和盐)极易溶于水,而非极性物质(如脂肪和油)则不溶于水。非极性分子不与水混合,因为从能量的角度来看,后者更倾向于在其内部形成氢键,而不是与非极性分子形成范德华键。然后发现每个离子(或每个极性分子)都是溶剂化的(或水合的),即完全被与其相互作用的水分子包围。 离子溶质的一个例子是普通食盐(氯化钠),极性分子溶质的一个例子是糖。一般来说,极性离子物质(如酸、醇和盐)极易溶于水,而非极性物质(如脂肪和油)则不溶于水。非极性分子不与水混合,因为从能量的角度来看,后者更倾向于在其内部形成氢键,而不是与非极性分子形成范德华键。然后发现每个离子(或每个极性分子)都是溶剂化的(或水合的),即完全被与其相互作用的水分子包围。 离子溶质的一个例子是普通食盐(氯化钠),极性分子溶质的一个例子是糖。一般来说,极性离子物质(如酸、醇和盐)极易溶于水,而非极性物质(如脂肪和油)则不溶于水。非极性分子不与水混合,因为从能量的角度来看,后者更倾向于在其内部形成氢键,而不是与非极性分子形成范德华键。离子溶质的一个例子是普通食盐(氯化钠),极性分子溶质的一个例子是糖。一般来说,极性离子物质(如酸、醇和盐)极易溶于水,而非极性物质(如脂肪和油)则不溶于水。非极性分子不与水混合,因为从能量的角度来看,后者更倾向于在其内部形成氢键,而不是与非极性分子形成范德华键。离子溶质的一个例子是普通食盐(氯化钠),极性分子溶质的一个例子是糖。一般来说,极性离子物质(如酸、醇和盐)极易溶于水,而非极性物质(如脂肪和油)则不溶于水。非极性分子不与水混合,因为从能量的角度来看,后者更倾向于在其内部形成氢键,而不是与非极性分子形成范德华键。非极性分子不与水混合,因为从能量的角度来看,后者更倾向于在其内部形成氢键,而不是与非极性分子形成范德华键。非极性分子不与水混合,因为从能量的角度来看,后者更倾向于在其内部形成氢键,而不是与非极性分子形成范德华键。

水的两性性质

水是一种两性物质,即既可以作为酸又可以作为碱。在 pH 7(中性条件)下,OH- 氢氧根离子的浓度等于 H + 氢离子(或更好的 H3O + 氢氧根离子)的浓度。当这种平衡被改变时,溶液变成酸性(氢离子浓度更高)或碱性(氢氧离子浓度更高)。在比它强的酸存在下,水作为碱,在比它弱的酸存在下,水作为酸。例如,在平衡状态:HCl + H 2 O ↽ − − ⇀ H 3O + + Cl - {\ displaystyle {\ ce {HCl + H2O <> H3O + + Cl-}}} 水充当碱,酸赋予它 H + 离子。相反在与氨的反应中:NH 3 + H 2 O − − ⇀NH 4 + + OH - {\ displaystyle {\ ce {NH3 + H2O <> NH4 + + OH-}}} 它是水作为酸,将其 H + 离子提供给后者。 H3O + 离子始终与普通水分子一起少量存在,是在水自质子分解的化学反应后形成的:2 H 2 O ↽ − − ⇀ H 3O + + OH - {\ displaystyle {\ ce {2H2O <> H3O + + OH-}}} 这种反应也称为水的自电离、半电离或自解离,并解释了水的两性性质.并解释了水的两性性质。并解释了水的两性性质。

水的生物学重要性

水是我们星球上所有生物的基本组成部分。它在细胞中(特别是在细胞质和液泡中,存在于植物细胞和一些原生生物中)中以高百分比被发现,它通过胞饮作用传递到细胞内。在所有细胞(原核生物和真核生物)的原生质中,水代表主要化合物,并充当所有生物分子(如碳水化合物、蛋白质、水溶性维生素等)的溶剂,使它们有机会相互反应在各种生化反应中。除了作为溶剂之外,水还作为反应物积极参与各种代谢反应,尤其是水解反应,并与二氧化碳一起,叶绿素光合作用的主要试剂之一;它还总是与二氧化碳一起,成为细胞呼吸过程的最终产物。作为大多数生物的主要成分,因此水也存在于人体中,其比例因年龄、性别和体重而异。含水量最高的体液是脑脊液(99%)、骨髓(99%)和血浆(85%)。因此,它对于身体各个部位的营养运输以及通过尿液消除和排泄生化反应中产生的废物至关重要。 L'水在调节体温(通过出汗)和矿物盐浓度方面也起着决定性的作用;它还参与消化,促进肠道运输和营养物质的吸收。正是因为水在人类营养中必须以非常高的量存在,所以它被归类为“宏量营养素”。在植物中,它是淋巴的主要成分,具有将营养输送到所有组织和液泡的功能,调节渗透压。在人体中,水占体重的 65%,随着年龄和性别的不同而逐渐减少。促进肠道运输和营养吸收。正是因为水在人类营养中必须以非常高的量存在,所以它被归类为“宏量营养素”。在植物中,它是淋巴的主要成分,具有将营养输送到所有组织和液泡的功能,调节渗透压。在人体中,水占体重的 65%,随着年龄和性别的不同而逐渐减少。促进肠道运输和营养吸收。正是因为水在人类营养中必须以非常高的量存在,所以它被归类为“宏量营养素”。在植物中,它是淋巴的主要成分,具有将营养输送到所有组织和液泡的功能,调节渗透压。在人体中,水占体重的 65%,随着年龄和性别的不同而逐渐减少。它具有运输所有组织中的营养物质的功能,以及调节渗透压的液泡。在人体中,水占体重的 65%,随着年龄和性别的不同而逐渐减少。它具有运输所有组织中的营养物质的功能,以及调节渗透压的液泡。在人体中,水占体重的 65%,随着年龄和性别的不同而逐渐减少。

宇宙中的水

在我们银河系的星际云中,已经发现了水分子的存在。假设水在其他星系中也很丰富,因为它的基本成分(氢和氧)是宇宙中最丰富的元素之一。宇宙中的大部分水可能是恒星形成阶段的副产品。恒星在形成结束时会散发出特别强烈的恒星风,伴随着大量气体和尘埃的排放;当这种流动撞击分子云的残余气体时,会产生冲击波,压缩和加热气体。在星云内部发现的水,其中有一个恒星形成活动从加热的压缩气体中迅速上升。恒星形成阶段的“副产品”是行星系统的形成,甚至类似于太阳系。在这样的系统中,可以在不太热的天体上追踪水,例如彗星、行星和卫星。在我们的太阳系中,已经在月球上(以及地球上)发现了液态水。有一种具体的可能性是,在土星的卫星土卫二和木星的卫星欧罗巴的表面下方也存在液态水。以冰的形式存在于: 火星(主要跟踪)一些行星的卫星,包括泰坦、欧罗巴、土卫二和海卫一。在月球表面可能会发现水冰的痕迹,在矮行星谷神星和土星的卫星泰提上。冰也将包含在天王星和海王星的内部以及小行星冥王星以及彗星中。在气态(水蒸气)中,它被发现于: 水星(大气中 3.4%,在大气中的比例很高) 金星(大气中的 0.002%) 火星(大气中的 0.03%) 木星(0 , 0004) %))系外行星 HD 189733 b 和 HD 209458 b 上的土卫二(大气中 91%)。事实上,在水的存在下,许多关于生命起源的理论都会被回忆起来。天王星和海王星的内部以及小行星冥王星以及彗星。在气态(水蒸气)中,它被发现于: 水星(大气中 3.4%,在大气中的比例很高) 金星(大气中的 0.002%) 火星(大气中的 0.03%) 木星(0 , 0004) %))系外行星 HD 189733 b 和 HD 209458 b 上的土卫二(大气中 91%)。事实上,在水的存在下,许多关于生命起源的理论都会被回忆起来。天王星和海王星的内部以及小行星冥王星以及彗星。在气态(水蒸气)中,它被发现于: 水星(大气中 3.4%,在大气中的比例很高) 金星(大气中的 0.002%) 火星(大气中的 0.03%) 木星(0 , 0004) %))系外行星 HD 189733 b 和 HD 209458 b 上的土卫二(大气中 91%)。事实上,在水的存在下,许多关于生命起源的理论都会被回忆起来。002% 在大气中) 火星 (0.03% 在大气中) 木星 (0.0004% 在大气中) 土卫二 (91% 在大气中) 在系外行星 HD 189733 b 和 HD 209458 b. 宇宙被外生物学认为是一个关键因素在我们以外的行星上生命的发展。事实上,在水的存在下,许多关于生命起源的理论都会被回忆起来。002% 在大气中) 火星 (0.03% 在大气中) 木星 (0.0004% 在大气中) 土卫二 (91% 在大气中) 在系外行星 HD 189733 b 和 HD 209458 b. 宇宙被外生物学认为是一个关键因素在我们以外的行星上生命的发展。事实上,在水的存在下,许多关于生命起源的理论都会被回忆起来。

水域和居住区

正如我们所知,地球上液态水(在较小程度上以气态和固态形式存在)是生命发展和维持的必要条件。地球呈现出如此有利的条件,因为它位于天文学家定义的太阳系宜居带,即一条狭窄的轨道带,在该带中,来自太阳的辐射使水保持液态:事实上,如果如果我们的星球离我们的恒星更远或更近,即使只有 5%(800 万公里),能够同时维持水的三种物理状态的条件也不太可能发生。行星宜居性的概念从研究开始明星:事实上,行星的宜居性在很大程度上取决于行星系统的特性,因此也取决于承载它的恒星的特性。目前估计,对于具有宜居行星的恒星来说,合适的光谱域是从 F 或 G 类的开始到光谱类 K 的中间;它们不是太热也不是太冷的恒星,它们在主序带中停留的时间足够长,以至于生命有可能出现并演化成复杂的形状。这种类型的恒星可能占我们银河系恒星的 5% 到 10%。红矮星周围的行星系统,即介于 K 类和 M 类之间的恒星,似乎不太适合承载生命。甚至数千亿年或更长时间),具有如此低的光度,以至于为了使行星表面的太阳条件有利于生命存在,它必须在一定距离内运行,以便潮汐力将其限制在同步轨道上;此外,一些红矮星表现出剧烈的变异性。然而,关于红矮星行星系​​统实际宜居性的问题仍然悬而未决并且非常重要,因为银河系的大多数恒星(约 65%)都属于这一类。一颗行星要想拥有有利于液态水存在的条件,它的表面重力必须能够保持明显的大气包层;它不能太大(因为即使在高温下它也可以使水保持固态),但不能太小(因为它只会保持稀薄的气氛,导致过度的热漂移并有利于水仅在极地地区)。大气中水蒸气和二氧化碳的存在会导致温室效应,使地表温度保持稳定。有人认为,相同的生命形式可以有助于维持有利于它们生存的条件。地球表面温度在地质时代的连续性中一直相对稳定,尽管平均地表日照的变化甚至强烈,这表明一系列动态过程将通过温室气体和地表或大气反照率的组合来调节地球的温度。这个理论被称为盖亚假说。关于地球上水的起源有几种理论。两个最受认可的假设认为,水要么是在彗星和小行星撞击地球之后到达地球的,在太阳系的黎明时期非常频繁,要么是在原始地球的巨大火山活动之后,它会释放到大气中大量的水蒸气会以水文气象现象的形式沉淀到地面。这个理论被称为盖亚假说。关于地球上水的起源有几种理论。两个最受认可的假设认为,水要么是在彗星和小行星撞击地球之后到达地球的,在太阳系的黎明时期非常频繁,要么是在原始地球的巨大火山活动之后,它会释放到大气中大量的水蒸气会以水文气象现象的形式沉淀到地面。这个理论被称为盖亚假说。关于地球上水的起源有几种理论。两个最受认可的假设认为,水要么是在彗星和小行星撞击地球之后到达地球的,在太阳系的黎明时期非常频繁,要么是在原始地球的巨大火山活动之后,它会释放到大气中大量的水蒸气会以水文气象现象的形式沉淀到地面。或者由于原始地球的巨大火山活动,将大量水蒸气释放到大气中,然后以水文气象现象的形式沉淀到地面。或者由于原始地球的巨大火山活动,将大量水蒸气释放到大气中,然后以水文气象现象的形式沉淀到地面。

地球上的水

天然水的物理化学特征

自然界中的水从来都不是纯净的,而是含有许多溶解物质(由于它具有作为溶剂的能力)和悬浮颗粒,其中大部分是微观的;所含物质基本上根据其大小细分: 悬浮材料:> 0.1 µm 粘土、二氧化硅、石灰石、氢氧化铁、藻类、脂肪、微生物、植物残骸 分散材料(胶体):0.1 ÷ 0.001 µm (0, 1 µm ÷ 1 nm) 胶体二氧化硅、腐殖酸 溶解物质:<10 Å (<1 nm):气体(O2、N2、CO2、NH3、H2S、SO2、氮氧化物) 阴离子 (HCO3-) 阳离子(Ca2 +、Mg2 +)借助分析化学技术,可以识别水中的物质。天然水的化学-物理特性通常包括以下程序:抽样(通常取2个有代表性的样本);观察:初级感官感觉; pH测量;浊度计算:光度法;固定残留量的计算:不同温度下的重量测量;电导率的测定;阴离子和阳离子(包括Ca2+、Mg2+和HCO3-离子)的测定和硬度计算:络合和/或其他方法; TOC 的测定:总有机碳的浓度。氮化合物的测定:氨、亚硝酸盐、硝酸盐的浓度。阴离子和阳离子(包括Ca2+、Mg2+和HCO3-离子)的测定和硬度计算:络合和/或其他方法; TOC 的测定:总有机碳的浓度。氮化合物的测定:氨、亚硝酸盐、硝酸盐的浓度。阴离子和阳离子(包括Ca2+、Mg2+和HCO3-离子)的测定和硬度计算:络合和/或其他方法; TOC 的测定:总有机碳的浓度。氮化合物的测定:氨、亚硝酸盐、硝酸盐的浓度。

天然水体的微生物特征

所有天然水域都含有一定数量的微生物,包括自养和异养,以细菌、藻类、真菌和原生动物为代表,它们构成了水域的本土微生物群落,它们在所有生物地球化学循环中都发挥着基础性作用,主要负责自养。 -净化现象。由于养分浓度低,地下水还拥有特定的微生物群落,主要以贫营养生物为代表。人为来源的污染,特别是源自民用有机废物排放到自然水域中的污染,可以将水生生态系统中不典型的微生物引入水体,构成污染微生物区系。其中还可能有沙门氏菌属、志贺氏菌属、弧菌属、梭菌属、假单胞菌属、弯曲杆菌属、分枝杆菌属、军团菌属等的病原菌,以及肠道来源的原生动物、蠕虫和病毒。这些病原体的存在可能是危险的,特别是对于人类用于饮用或娱乐目的的水。然而,水的微生物分析,而不是寻找病原体,往往会检测到被定义为粪便污染指标的微生物。滞留在人和动物的肠道中,因此随粪便排出。这些指标的特点是在有机废物中的浓度远高于任何病原体的浓度,而且需要更简单的检测技术,因此,它们可以很容易地包含在水的微生物学特征的常规分析方案中。在水中寻找的主要指示生物是: 37 °C 下的大肠菌;大肠杆菌;肠球菌;产气荚膜梭菌 在供人类食用的水中,菌落计数也在 22°C 下进行。在饮用水中,粪便污染的指示微生物(大肠杆菌和肠球菌)必须始终不存在,总微生物负荷必须得到控制并保持恒定。水中存在一个或多个这些指标代表可能的粪便污染的第一个警报信号,并可以直接寻找可能的病原体。大肠杆菌;肠球菌;产气荚膜梭菌 在供人类食用的水中,菌落计数也在 22°C 下进行。在饮用水中,粪便污染的指示微生物(大肠杆菌和肠球菌)必须始终不存在,总微生物负荷必须得到控制并保持恒定。水中存在一个或多个这些指标代表可能的粪便污染的第一个警报信号,并可以直接寻找可能的病原体。大肠杆菌;肠球菌;产气荚膜梭菌 在供人类食用的水中,菌落计数也在 22°C 下进行。在饮用水中,粪便污染的指示微生物(大肠杆菌和肠球菌)必须始终不存在,总微生物负荷必须得到控制并保持恒定。水中存在一个或多个这些指标代表可能的粪便污染的第一个警报信号,并可以直接寻找可能的病原体。在饮用水中,必须始终不存在粪便污染指示微生物(大肠杆菌和肠球菌),并且必须控制总微生物量并保持恒定。水中存在一个或多个这些指标代表可能的粪便污染的第一个警报信号,并可以直接寻找可能的病原体。在饮用水中,粪便污染的指示微生物(大肠杆菌和肠球菌)必须始终不存在,总微生物负荷必须得到控制并保持恒定。水中存在一个或多个这些指标代表可能的粪便污染的第一个警报信号,并可以直接寻找可能的病原体。

天然水的分类

自然水按其来源分为:大气水(雨、雪、雹、露、霜);地下水(深层或地下水);地表水(海洋、河流、湖泊、泉水)。水进行连续循环(所谓的水循环或水文循环),包括大气、土壤、水面之间水圈中水的不断交换,深水和生物。由于太阳辐射和植物的蒸腾作用导致地表水蒸发,在较冷的大气层中形成了云。这些由风携带,当温度和/或压力发生变化时,它们以雨水的形式返回地面,进一步丰富地表水和部分(过滤到地下)地下水。由于许多物质在水中具有一定的溶解度,因此自然界中几乎没有纯净水。雨水含有通常存在于大气中的气体(主要是 N2、O2 和 CO2)、由于工业活动或居住中心而在当地存在的气体(SO2、SO3、氮氧化物、CO)以及来自天然有机物(H2S)分解的气体, NH3)。雨水可以与这些物质发生反应。以酸雨现象为例:SO 3 + H 2 O ⟶ H 2 SO 4 {\ displaystyle {\ ce {SO3 + H2O -> H2SO4}}} 由雨水渗透供给的地下水,地面过滤悬浮物,是矿泉水。有时地下水会自发逸出,成为泉水(由于缺乏病原生物,特别适合饮用,但质量往往受到对健康极为有害的除草剂和杀虫剂的威胁)。地下水,氧化土壤中存在的有机物质,富含二氧化碳,根据反应促进石灰石的溶解: CaCO3 [不溶性] + CO2 + H2O ⇌ Ca (HCO3) 2 [可溶性] MgCO3 [不溶性] + CO2 + H2O ⇌ Mg (HCO3) 2 [可溶] 如果二氧化碳浓度高,溶岩量高,就会形成洞穴;这种现象在意大利被称为喀斯特(来自喀斯特地区,这种现象经常发生)。上述化学反应可以在两个方向(从左到右或从右到左)发生:从逆反应到前一个,随着二氧化碳的消除,因此形成钟乳石和石笋。地表水的成分因气候和环境条件而异。它们可以分为淡水(3%,大约 3⁄4 为液态)和咸水。地中海含有约 3.5% 的盐分(77.7% 氯化钠、11% 氯化镁,其余分为硫酸镁、钙、钾、碳酸钙和溴化镁)。因此有钟乳石和石笋的形成。地表水的成分因气候和环境条件而异。它们可以分为淡水(3%,大约 3⁄4 为液态)和咸水。地中海含有约 3.5% 的盐分(77.7% 氯化钠、11% 氯化镁,其余分为硫酸镁、钙、钾、碳酸钙和溴化镁)。因此有钟乳石和石笋的形成。地表水的成分因气候和环境条件而异。它们可以分为淡水(3%,大约 3⁄4 为液态)和咸水。地中海含有约 3.5% 的盐分(77.7% 氯化钠、11% 氯化镁,其余分为硫酸镁、钙、钾、碳酸钙和溴化镁)。11% 氯化镁,其余分为硫酸镁、钙、钾、碳酸钙和溴化镁)。11% 氯化镁,其余分为硫酸镁、钙、钾、碳酸钙和溴化镁)。

陆地水资源

地球上存在的水量估计为 1 360 000 000 平方公里,大约是地球总体积的千分之一;其中: 1 320 000 000 平方公里(约占总数的 97.3%)是海洋水域(主要是海洋)。 25,000,000 平方公里(约占总量的 2%)位于冰川和极地冰盖中。 13 000 000 平方公里(约占总量的 1%)存在于土壤和含水层中。 250 000 平方公里(约占总量的 0.02%)是湖泊、内海和河流中的淡水。 13 000 km3 是大气中的水蒸气。淡水仅占地球上总体积的 2.5%,超过 2⁄3 存在于少数冰川中,特别是在南极洲和格陵兰。因此,它们是主要的储量我们星球上的淡水。由于温室效应和温度升高造成的冰川融化对环境产生了强烈的影响,这既是由于海平面上升,也是由于该保护区的消失。事实上,在冰融化过程中,淡水与海水混合,人类无法使用。另外 30% 的淡水存在于地下水库中,而只有不到 1% 的淡水存在于湖泊、河流或水库中​​,因此很容易获取。 1996 年《科学》杂志发表的一项研究估计: 水循环产生的可再生淡水总量约为 110 300 立方千米/年;大约 69 600 km3 / 年的降水依次蒸发(但允许重要的植被形式,如森林、非人工灌溉);剩余约 40 700 立方千米/年,返回海洋;的水量:7 774 平方公里/年位于难以进入的地区,实际上未使用(亚马逊河的约 95%、刚果的一半、最北端土地的大部分河流); 29 600 km3 / 年最终流入海中而没有被大坝利用; 12500km3/年可供人类使用;其中:4 430 平方公里/年直接用于农业(2880 平方公里/年)、工业(975 平方公里/年)和城市(300 平方公里/年);该数字还包括因蒸发造成的储量损失(275); 2 350 km3 / 年“按原样”使用,例如用于航海、钓鱼和公园;到 2025 年,大坝建设可以使人类可用淡水的供应量增加约 10%,但预计到那时人口将增加约 45%;由于污染加剧和全球变暖,可用水的估计增加也可能是乐观的。

气象学中的水

水也是控制地球气象和气候的基本要素。在某些情况下,大气中存在的水蒸气会经历吸积过程(聚结),导致云的形成,并在达到饱和后形成降雨或其他形式的大气降水。由于这些事件,水可以在领土上重新分配,也可以在极地冰川或高海拔冰川中积聚。从极端干旱到热带森林,不同地理区域水降水的丰度或缺乏决定了气候,进而决定了生物多样性和资源。

水与人

由于水是生命不可或缺的资产,因此水、基础设施和水服务的所有权和管理是法律和政治问题的主题。

文明史和宗教中的水

水在第一批位于东方大河沿岸的古代文明的发展中发挥了重要作用:埃及文明的尼罗河,美索不达米亚文明(苏美尔人、巴比伦人和亚述人)的底格里斯河和幼发拉底河,黄河(黄河)代表中国,印度河和恒河代表印度。大型河流流域为提高土壤肥力和交通便利提供了机会,但它们导致需要更复杂的社会组织来管理资源冲突以及解决大规模灌溉系统的建设和维护以及防洪问题。次要但绝非微不足道的还有内陆海,尤其是地中海的重要性,促进了远方人民之间的贸易和文化接触,形成了主要致力于贸易的文明(首先是腓尼基人)。自古以来,宗教和哲学体系就认识到水的重要性。许多宗教崇拜与水或溪流本身有关的神(例如,恒河是印度教的女神)。再次,特定的半神,称为宁芙,被放置在希腊神话中以保护特定的水源。因此,水被认为是许多民族的原始元素,甚至彼此相距甚远。例如,在中国,它被认为是混沌,宇宙起源于混沌,而在创世记中,它已经出现在第二节,在光明和出现的土地之前。甚至希腊哲学家泰勒斯也将水与万物的起源联系起来,并断言它的光滑也可以解释事物本身的变化。在波利尼西亚,水也被视为基本原材料。随着第一个哲学体系的发展,水与其他一些原始元素结合在一起,但并没有失去它的重要性。在所有古代文明中,人们普遍相信自然界的多样性可以追溯到极少数组成元素的组合:水,实际上,火,土和空气(或木头),可能还有第五种本质。例如,在中国东方道教中,土、火、木、金五行中包括水。在西方也有恩培多克勒(公元前 492 年)大约 - 大约公元前 430 年)在四种基本元素中包括水,在 Timaeu​​s 中柏拉图添加了乙醚。亚里士多德本人(公元前 384 年 - 公元前 322 年)坚持认为,物质是由恩培多克勒提到的四种元素相互作用而形成的。生命繁荣不可或缺的水影响了许多文明。例如,在苏美尔语中,“a”的意思是“水”和“世代”。因此,在大多数宗教中,水已成为更新的象征,因此是神圣祝福的象征。它合乎逻辑地出现在许多邪教的“净化”和重生仪式中,例如基督教洗礼的浸入仪式以及犹太教和伊斯兰教的沐浴仪式。即使在神道教水用于人或地方的净化仪式。犹太卡巴拉的犹太神秘智慧传统在水中确定了 Sefirah Chessed 的象征,表明慈悲、善良和伟大的神圣品质;托拉中有许多提到水,也是水的象征。根据希伯来文释经,同一个词希伯来文在希伯来文 Yivri 中的意思是来自河对岸的人,并出现在第一次使用的关于亚伯拉罕的希伯来圣经中。翻译水这个词的希伯来语词,Maim,当与词 Esh,火相关联时,形成了 Shamaim 这个词,意思是天堂:人们相信天堂是水和火的结合。 Mircea Eliade 对各种宗教中的水生神话进行了分析研究:”水象征着虚拟的整体“。Eliade 认为:水和细菌;水生宇宙(在印度,在巴比伦神话中的 Enûma Eliš);ilogenias(人类的起源或来自水的种族);'生命之水(水使人恢复活力并带来永生);浸没的象征;洗礼;死者的渴求(拉撒路和富人潜水的福音派寓言;在希腊人中;在美索不达米亚;在古埃及);神谕来源(已经来自新石器时代,然后是德尔斐的 Pythia);水生顿悟和水神;若虫;波塞冬和 Ægir;动物和水生标志(龙、海豚、蛇、贝壳、鱼等) .,调节世界的生育能力,拥有深渊的神圣力量);洪水的象征意义。将负面特征归因于水的情况要少得多,而且是最近出现的。在 16 世纪,瘟疫流行期间,人们认为水有利于传染,“打开”皮肤毛孔,所谓的病原体(称为神学院)会通过这些毛孔渗入,因此人们认为清洗身体会减弱有机体,因此不推荐。因此不被推荐。因此不被推荐。

你用水

水在许多领域都发挥着核心作用。基本上,水的用途可分为: 民用: 饮用用途 食品(食品和饮料制备) 卫生(人员和卫生设施) 食品公司 非饮用民用(但其中许多水通常用于饮用水),包括: 灭火 园艺 娱乐用途(水上运动) 沐浴和宗教仪式 农业用途(灌溉) 工业用途,包括: 水力发电厂的能源 化学应用(作为溶剂和反应剂) 植物加热和冷却中的热载体。水切割,其中使用强大的水流以高精度切割各种材料的或多或少厚的表面。水覆盖了地球表面的 70.8%,其中大部分不能直接使用,因为它需要特殊处理,根据水的用途进行多样化处理。

轻水和重水

在核工程中,当在过冷条件(压水堆反应堆)和沸腾条件下(BWR 反应堆)用作轻水堆堆芯的冷却剂/减速剂时,普通水被称为轻水。该术语的起源源于与术语重水的对比,重水确定化学上与水相似的物质,但其中最常见的氢同位素重量为 1 被重量为 2 的同位素氘取代;重水在坎杜反应堆中用作慢化剂/冷却剂。

水处理

可以对水进行各种处理以去除污染物和修正某些化学物理特性;处理厂的设计需要对原水进行初步分析,可以清楚地表达其中所含的所有物质(其浓度通常以ppm或ppb为计量单位)并确定其微生物特征。对水进行的处理首先取决于它们的目的地,例如饮用水必须具有一定的盐浓度、特定范围内的 pH 值、极限电导率、无污染指示微生物和病原体。 ,而一种农业用水将富含矿物质。废水处理涉及一系列的化学物理和生物操作,分为一级处理、二级处理和三级处理,以及处理污泥的一系列具体操作。净化后的废水通常排放到地表水中,在意大利,它必须符合第 152/2006 号法令规定的与接收水体质量目标相关的排放限值。事实上,净化器的排放物不得含有浓度足以干扰水体的自然自我净化能力或损害水生生态系统生物群落活力和生物多样性的污染物。净化后的废水经过适当的三级处理后,包括砂过滤、活性炭吸附、紫外线消毒、二氧化氯或其他氧化剂,它们可以重复使用,特别是灌溉或工业用途。海水处理主要包括海水淡化作业。净化处理应用于天然地表水或来自人工水库的水,目的是获得适合人类使用的水,这符合意大利第 31 / 2001 号法令制定的质量标准;这些治疗包括以下操作:沉淀 混凝 过滤 曝气 活性污泥生物处理 活性炭过滤 反渗透净化 软化 消毒 当然不是所有列出的操作都同时应用,但可以根据原水的污染程度组合成不同的方案。例如,轻微污染的水可以进行更简单的处理,包括在沙子上过滤,然后消毒。另一方面,中等污染的地表淡水将进行更严格的处理,根据经典方案,该处理可以遵循以下一系列操作:沉淀、用二氧化氯、次氯酸钠或其他氧化剂进行预氧化, 混凝-絮凝-沉淀 ,砂过滤,活性炭吸附和最终消毒。

L'acqua nell'industria

水的比摩尔热容仅次于任何已知物质,仅次于氨。由于这个特性,它被广泛用作热量的传输和积累的手段。水用于许多工业过程和设备,例如蒸汽机、蒸汽发生器、热交换器和散热器,以及化学工业过程。事实上,由于其化学性质,水构成了许多物质的反应和溶解环境,并且由于其热特性,它是一种极好的传热流体。此外,水还用于水力发电厂的能源生产。水蒸气用于化学工业的某些过程。一个例子是丙烯酸的生产。水在这些反应中的可能影响包括水与催化剂的物理化学相互作用以及水与反应中间体的化学反应。该行业的用水需求通过抽取浅表(由于污染而盐分含量降低和氧含量低)、深层(二氧化碳含量较高)或更罕见的大气来源(通常具有腐蚀性,由于污染)而得到满足。溶解气体);海水仅在特殊情况下使用。因此,根据污染物的状态和大小进行机械、物理或化学处理,以使水可用于工业过程。工业用水的处理有很多,包括以下操作: 絮凝和混凝 中和、沉淀 氧化还原处理 消毒 软化 脱碳 脱硅 脱矿 除铁和脱锰 防腐处理(例如消除溶解气体) 沉淀(利用斯托克斯定律)浮选过滤 一种污染形式是将未经适当处理的工业过程中的废水(化学污染)或冷却水(热污染)排放到环境中。沉淀 氧化还原处理 消毒 软化 脱碳 脱硅 脱盐 除铁和脱锰 防腐处理(例如去除溶解气体) 沉淀(利用斯托克斯定律) 浮选 过滤适当处理(化学污染)或冷却水(热污染)。沉淀 氧化还原处理 消毒 软化 脱碳 脱硅 脱盐 除铁和脱锰 防腐处理(例如去除溶解气体) 沉淀(利用斯托克斯定律) 浮选 过滤适当处理(化学污染)或冷却水(热污染)。未经适当处理的工业过程残留水(化学污染)或冷却水(热污染)的环境。未经适当处理的工业过程残留水(化学污染)或冷却水(热污染)的环境。

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Note

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外部链接

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