水的结构和性质

水是宝贵的自然资源。水是所有生物赖以生存的必需品。我们无法想象没有水的世界。水是动植物完成日常代谢活动所必需的。植物需要水来通过光合作用合成食物。我们都可以几天不吃东西，但无法想象没有水的日子；没有水，即使是植物也会变干并脱落叶子。

Water is a colourless and transparent chemical substance that is the primary constituent of the earth’s crust’s streams, oceans, and lakes. It is an important fluid that plays an important role in the survival of life on Earth. 

H ₂ O是水的化学式。它由通过共价键结合在一起的两个氢原子和一个氧原子组成。这种液体占地球表面的 71%。

水的状态

1. 固态的水称为冰。水在 0 摄氏度（水的冰点）结冰形成冰。
2. 液态的水覆盖了地球表面的大部分。它用于各种应用。
3. 水蒸气是水的气态。水在 100 摄氏度时达到沸点并转化为水蒸气。

水的物理性质

• 化学式：众所周知，H ₂ O是水的化学式。水分子中的氢原子和氧原子之间存在共价键。一个氧原子与两个氢原子形成连接。
• 外观：在自然状态下，水是一种无色、无臭、无味的液体。
• 沸点：众所周知，水的沸点为 100 摄氏度。然而，水相对较高的沸点违反了元素周期表的趋势。与低沸点的碲化氢和硫化氢相比，氢（下一个氢化物）的沸点相对较高。这是由于水分子中极强的氢键。它们需要大量的能量才能破裂并开始沸腾。
• 冰点：同样的概念也适用于水的冰点。水的冰点为0摄氏度。水需要很长时间才能结冰（甚至沸腾）这一事实对我们的生态系统和存在至关重要。
• 密度：水的显着特性之一是它在销售状态下是稠密的。当水冷却到 4°C 时，水的密度会增加。然而，在那之后，水变得不那么稠密了。因此，冰会漂浮在水中。
• 粘度：由于非常强的分子间相互作用，水具有很高的粘度。
• 溶解性：水是一种高效的溶剂。它甚至被称为通用溶剂。

水的化学性质

• 两性性质：水在性质上是两性的，因为它可以作为酸和碱。以下两个反应表明水本质上是两性的。

H ₂ O (l) + HCl (aq) ⇌ H ₃ O ⁺ + Cl ^–

H ₂ O (l) + NH ₃ (aq) ⇌ NH ⁴⁺ + OH ^–

• 氧化还原反应：水被正电元素还原为氢分子。因此，水是氢的丰富来源。在光合作用过程中水被氧化成O ₂ 。水在氧化还原反应中非常有用，因为它可以被氧化和还原。
• 水解反应：由于其介电常数，水具有很强的水合倾向。它溶解多种离子化合物。水可以水解一些共价和离子化合物。

水的结构

液态水

水分子由两个氢原子组成，这两个氢原子通过一个化学键连接到一个氧原子上。大多数氢原子的原子核完全由质子组成。水含有两种同位素形式，氘和氚，其中原子核也分别含有一个和两个中子。氧化氘 (D ₂ O)，也称为重水，用于化学研究和一些核反应堆中的中子慢化剂。

水分子中的氢原子被吸引到电子密度高的区域，并可以与这些区域形成弱键，称为氢键。这意味着一个水分子中的氢原子被相邻水分子氧原子的非键电子对吸引。液态水的结构被认为是由不断形成和重新形成的水分子聚集体组成的。这种短程顺序解释了水的其他不寻常特性，例如其高粘度和表面张力。

冰的结构

固态（冰）中的分子间相互作用导致高度有序但松散的结构，其中每个氧原子被四个氢原子包围，其中两个与氧原子共价键合，另外两个（距离更远）是氢键合到氧原子的非共享电子对上。

由于其开放结构，冰的密度低于液态水，其中有序结构被部分分解，水分子（平均）更靠近。根据条件，水可以冻结成各种结构。

液态水结构的意义

• 水的液态结构非常复杂，这无疑涉及到显着的分子缔合。由于液态水中的分子之间存在广泛的氢键，因此粘度、表面张力和沸点等特性的值远高于典型的小分子液体的预期值。与水的凝聚态（固态和液态）不同，水分子之间有广泛的结合，气态（蒸汽）相具有相对独立的水分子，相隔很远。
• 水分子的极性在水溶液形成过程中对离子化合物的溶解很重要。地球上的海洋含有大量溶解盐，这是宝贵的自然资源。此外，每秒发生的数百种维持生物体生命的化学反应都发生在水性液体中。此外，糖和盐等物质在水中的溶解度使食物在烹饪时具有风味。尽管溶质在水中的溶解度是一个非常复杂的过程，但极性水分子与溶质之间的相互作用至关重要。
• 当离子固体溶解在水中时，阴离子吸引水分子的正端，而阳离子吸引负端。这被称为水合作用。盐离子的水合作用使其在水中分解（溶解）。在溶解过程中，固体正负离子之间存在的强大作用力被水-离子的强相互作用所取代。

水的重要性

1. 农业是最重要的用水方式。农业需要灌溉，而水是粮食生产的关键组成部分。
2. 根据身体的大小，人体含有 50% 到 78% 的水。为避免脱水，人类每天应喝 7 升水。
3. 它对于消化以及生物体中发生的其他生物过程至关重要。维持身体的 pH 值至关重要。它还有助于免疫系统抗体的运动。
4. 它有助于调节体温。水为身体提供必要的冷却效果。
5. 通过排汗和排尿，水可以冲走体内的有害毒素。它可以防止废物在生物体内积累。
6. 它用于制造用于洗涤过程的乳液和溶液。
7. 生活用水量占总用水量的15%。水用于饮用、洗澡、做饭、洗碗、衣服、水果和蔬菜，以及刷牙。
8. 它要么用于产品的创建，要么用于冷却产品创建中使用的设备。工业用水用于清洗、冷却、加工、运输、稀释或制造产品。大多数水用于制造化学品、纸张和食品。
9. 它用于运输、制造、水力发电、身体废物清除、旅游和娱乐。

样题

问题一：水最重要的用途是什么？

回答：

Household water use is the most significant everyday use of water for the majority of people. Domestic use refers to water used in the home on a daily basis, such as drinking, cooking meals, bathing, washing clothes and dishes, flushing toilets, and irrigating lawns and gardens.

问题2：水能提供能量吗？

回答：

Water contains two types of electricity, as well as a variety of other substances. Kinetic energy is regarded as the first type of energy. This is electricity, such as action, that is used during process execution. Water can flow as a result of kinetic energy, and waves can form.

问题3：水的天然来源是什么？

回答：

Drinking water is derived from natural sources such as groundwater or seawater. Groundwater is formed when snow and rain seep through the ground. Water is collected in open rooms and pores, as well as in sand and gravel deposits known as aquifers.

问题4：什么是氢键？

回答：

A hydrogen bond is an electrostatic force of attraction between a hydrogen atom that is covalently bound to a more electronegative atom or group and another electronegative atom with a single pair of electrons—the hydrogen bond acceptor.

问题5：什么是分子内氢键？

回答：

Intramolecular hydrogen bonds occur within the confines of a single molecule. When two functional groups of a molecule can form hydrogen bonds with each other, this happens.