人类与水
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1.水是什么

在地球上,我们生活的地方,举目望去,到处都能看到水的踪影。甚至到了沙漠,人们也能找到水。如果到了大海边,那浩渺无尽的波涛,该赋予人们多少海阔天空的联想啊!

曾记得,在童年大约五六岁时,自己常常和小伙伴们玩泥巴,弄得满手都是泥,要回家了怕被妈妈斥责,一时又找不到水洗手怎么办?我们这些穿着开裆裤的小男孩自有办法——蹲下来一边撒尿,一边洗手,而且这“自来水”还是热乎的。有一次,我不小心被开水烫了手,事后,我问妈妈:“水是什么东西?”之所以这么问,是因为在我懵懵懂懂的生活实践中,感觉水有时候是冰的,有时又热得烫人;水既可以从井里打出来,又能从天上掉下来,还能把脏手洗净。还有在冬季的晚上,妈妈将一个圆圆的、扁扁的铁水壶中灌满热水,放在被窝里就可以暖和一整夜了。这对当时我这样的小孩子来说,实在是有些不可思议!

妈妈当然回答不了我的问题,或者说当时的回答我也听不懂。现在想来,古往今来不知有多少人曾经提出过类似的问题。人们似乎都知道水是什么,因为人类很早就开始对水产生了兴趣和认识,东西方朴素的物质观中都把水视为一种基本的组成元素,如:水在中国古代是五行之一;西方古代的四元素说中也把水列为其中之一。但是无论中外,包括那些赫赫有名的大学者们,也只是笼统地说“水的重要”“水的不可或缺”和“水的神奇”等,但是谁也不能准确、圆满地回答,水到底是什么?

可以说,一直到了近代随着西方科学技术的兴起,人类对物质的认识有了科学的概念,并确立了物理、化学、生物等学科;有了实验手段,认识到物质的分子结构,并有了高倍显微镜,才逐渐真正揭示了“水是什么”这个命题。

1784年,英国科学家卡文迪许用实验证明水不是元素,而是由两种气体化合而成的产物。1809年,法国化学家盖吕萨克测定:1体积氧和2体积氢化合,生成2体积水蒸气,从而知道了水是一种氢氧化合物。

《现代科技词典》的表述为:水(H2O)是由氢、氧两种元素组成的无机物,水的纯净物在常温常压下为无色无味的透明液体。水是自然界最常见的物质之一,是包括人类在内所有生命生存的基础物质,也是生物体最重要的组成部分。水在生命演化过程中起着重要的作用。水在自然界所起的作用,是其他物质所不能替代的。

学过初中化学的人都知道,水的化学成分如果按质量比例计,含有11.11%的氢和88.89%的氧。水的化学分子式为H2O,相对简单明了。因为水由分子构成,所以水具有分子特性:①水分子不停地做无规则运动;②分子间有空隙;③水分子之间有一定作用力。水的分子量为18.0151,CAS号为7732-18-5。水除了有与其他液态凝聚态物质一样的一般特性外,也有其自身的特性。水的分子结构对称美观,也很形象,为,三个原子的组成并不是连成一条直线,而是像一个挂衣服的架子,中间高两头低,两边对称,两个H-O之间有一个104°的夹角。

水分子示意图

氧原子是由一个带正电的原子核和六个围绕核旋转的价电子组成(其最里层还有两个K电子在形成水分子时不参与反应)。氢原子也一样,只不过只有一个电子。一个氧原子和两个氢原子组成水分子全靠这八个电子维系。这八个电子两两结合组成四对,分别占据以氧原子为圆心的四个方向。由于相互排斥的原因,这四个方向必须相互距离最远,这就形成了所谓的正四面体(也就是等边三角锥体),它们之间的夹角都是109°28′。形成水分子的两个氢原子各占锥体一个角,另外两个角仍是由两对未成键的电子占据。因为氢原子核带正电,中和了一部分电子的斥力,使未成键的两对电子挤压了成键的两对电子的空间,所以两个H-O键之间的夹角就变成约104°了。

正因为如此,水分子才具有很强的极性,才会形成氢键,进而具有很大的热容。这是因为液态水要加剧分子热运动而升高温度或分散成单个分子而汽化,都需要克服氢键的作用,这就需要吸收较多的能量。所以在水多的地方,如海边温差就比较小。这是因为有太阳时水要蒸发就吸收大量热量,晚上空气中水冷凝时要释放大量的热量。水的这种独特的分子结构,使其具有恰当的极性而成为重要的分散剂,许多物质都能在水中溶解分散,形成溶液、悬浊液或乳浊液等。因此,许多化学反应都是在水溶液中进行的。

水蒸发实验

现代工业正是利用了水的这些特性,将其作为工作物质或生产介质,用以加热原料或冷却机器设备,并且还利用水的分散剂特性,制造了许多相关产品。

水也可以称为“氧烷”。如在“水”的前面加上定语,可以用来区分不同种类的水,例如淡水、海水、污水,及软水、硬水、蒸馏水、去离子水或重水等。

水的物理性质还有:沸点为100℃(海拔为0m,气压为一个标准大气压时);凝固点为0℃;三相点为0.01℃;比热容为4.2×103J/kg;临界温度为374.2℃。冰的密度比水小;水的密度在3.98℃时最大,为1×103m3/kg,温度高于3.98℃时,其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大。水在变成雪花时,会呈现出五彩缤纷,互不重复的、十分规则的六边形几何图案。

由于水的普遍存在和其具有的独特性和不可替代性,现代科学以水的冰点0℃作为温度的分界线;以水的沸点为100℃;以水的比重为1;以海平面为海拔高度起点等。可见,人类对于水的利用还不仅仅限于实际生活和生产,还利用了水的特性作为科学观测和研究的基本实证和依据。

如果用一句通俗的话来定义水,应当怎样表述呢?笔者以为,可以这样表述:水是地球上一种普遍存在的普通物质,它对于维系地球生态与包括人类在内的所有生命至关重要,也是我们现代生活和生产最重要的自然资源之一。