對古代的哲學家而言，水是四大化學元素之一；這種觀念一直持續到中古時代 (5-15世紀)。西元1781年，卡文迪希（Henry Cavendish，英國化學家及物理學家）石破天驚地向科學界宣稱，水是由氫氣的燃燒所生成。但因他被灌輸了燃素說，以致無法全然了解其發現（phlogistic explanation of combustion，未發現氧之前被假定為可燃物的主要成分）；這一直要到2年後拉瓦錫(Antoine Laurent Lavoisier, 法國化學家.近代化學之始祖)重作其實驗，顯示水全然不是個元素，而是一個含有氫與氧的化合物。此後，人們作了許多定量的測量，建立了水的組成。於1819年，柏濟力阿斯 (Baron Jons Jakob Berzelius,瑞典化學家)與杜隆(Dulong)；及1842年丟瑪(Dumas)與史達斯（stas），把氫放在己稱重的氧化銅中，稱出生成的銅與水重，得到水的重量組成。從這些資料中，他們算出氫與氧之比。1893年艾德華．摩爾利（Edward morley）直接精確地秤出氫、氧與水的重，並於美國化學協會(American Chemical Society)第1屆大會中提出報告。蓋呂薩克(Joseph Louis Gay-Lussac，法國化學家及物理學家)也於1820年測量出氫氣與氧氣完全化合時的體積：需要兩份的氫與一份的氧，以今天的化學術語來說，得到水的分子式為H2O
水覆蓋了地球表面的4分之3。它構成了許有機物的主要部分：如人體約有百分之70為水重；雞蛋有百分之74；西瓜有百分之92；黃瓜有百分之95。
天然存在的水絕非純水，因為它含有一些溶自空氣的氣體，或因水流經岩石而溶入的一些礦物質。最純的水是蒸餾水，其製備法是用一種高錳酸鹽的鹼性溶液來蒸餾自來水，以破壞有機物質與碳酸，然後再用硫酸或磷酸蒸餾來移除氨水，特別是銨根離子(NH4+)。蒸餾要在真空中(in vacuum)進行，以免溶入空氣，同時要在純錫或石英製冷凝器內進行，因為在普通玻璃容器中鹼的溶解度大。據報一種最純的水是在1894年，由柯勞思克(Kohlrausch)與黑得威勒(Heydweiller)把水蒸餾42次所得。
氫氣與氧氣在300℃時化合得很慢，溫度漸升，化合速率即漸增，到了550℃即爆炸，溫度到達3100℃就產生火燄。若以碎玻璃或鈷、鎳、鐵、銅等金屬，特別是鉑族金屬做催化劑，可催化這兩種氣體的化合速率；若用硫化氫、一氧化碳、碘蒸氣與脂肪，則可遲滯反應；加入少量的二氧化硫、氰化氫與二氯化汞，反應則完全停止。水可電解成兩體積的氫與一體積的氧，為促成電流，可加入一點硫酸或苛性鉀(KOH)。這是1789年戴曼與凡．處司退克(Deimann,van Troostwyk)用靜電最先發現的；1800年尼柯遜與卡里索(Nicholson,Carlisle)以賈凡尼電池，重作此實驗。水也可以在非常高溫時分解，在1397℃、1561℃與2257℃下分解率依序為0.0078%、0.036%、1.77%。
1932年麥克(Mecke)由吸收光譜，看出水分子 彎曲的鍵角為104.310，分子半徑是1.38A (1 A=10-8cm) ，O-H距離0.96A。氫原子如此深嵌於氧原子中，以致水分子幾成球形。
在固態與液態中，水分子有結合的趨勢，即聚成團；因為除了受束於其中心的氧原子外，每一氫原子與鄰近水分子上的氧原子間像個橋般，有著微弱的吸引力存在，謂之氫鍵。此鍵隨溫度變化的程度被柏納與福勒(Bernal, Fowler)於1933年初次描述，冰中水分子的高度規律氫鍵結構形成了像?#092;子的格子架構，其密度比水低些，故浮於水上
由於分子間的高度吸引力，水有著高熔點與沸點：0.000oC, 32.0oF與100.000oC, 212.0oF。厚層水的顏色是藍的，這不僅是物理原因也是因含懸浮雜質之故。不過，冰河是綠色的，此歸因於含有懸浮的綠色碳酸鈣。純水是電的不良導體，在0oC時導電度為10億分之38姆歐/公分(3.8X10-10mho/cm)。水的壓縮性低，20oC時為43X10-6 cc/megabar(立方公分/百萬巴)。密度在4℃時最大，此因氫鍵之特性也。在不同溫度下水的體積是0oC─1.000122；4oC─1.000000，其高電介質常數是80，產生於水分子的偶極性。
25oC時的生成熱是每莫耳水生成時吸熱68,270卡；水的汽化熱是每克540卡；冰的熔解熱是每克79.15卡。加入非揮發性溶質後，水的凝固點即降低；每莫耳溶質溶入1千克水中可降低凝固點1.86oC。非揮發性溶質的加入也可增加水的沸點；每莫耳溶質溶入1千克水中提高了沸點0.52oC。比熱隨溫度的變化如下：0oC, 1.0088；30oC, 0.9988；50oC, 0.9996；100oC, 1.0099。當強酸與鹼交互作用生成水時，中和熱是每莫耳13,200卡；這相當於電離熱。水的表面張力是72.5達因/公分(dyne/cm)。
未溶入氣體的水可過熱至182oC而不沸騰；然後，水分蒸發而爆炸。同樣地，水也很容易過冷。0oC時，蒸餾水重0.99987克/立方公分或62.4磅/立方呎。
當水被放在一個開口的盤中時，蒸發就開始了。這表示在水面上的氣體空間必會不斷地獲得水分子。另一方面，保存在一有塞瓶內的水分不會完全蒸發掉；表面上達成一個平衡，有一定量的水蒸汽存在於水面上的氣體空間中。此量在系統的溫度下是固定的，而所施的壓力就是蒸汽壓或水汽張力，在不同的溫度有不同的蒸汽壓存在。水在沸點時的蒸汽壓為760mm/Hg，剛好一大氣壓。這只表示水完全蒸發或沸騰時，其蒸汽壓等於大氣壓、比如說在一海拔2,914公尺高的山頂，氣壓為525mm/Hg，此時水的沸點為90oC。甚至雪與冰也有其蒸汽壓；基於這個理由在結冰的天氣掛濕衣服於外面，將繼續失去水分，即使它們是凍結凝固的。當溫度升高時水的黏滯性迅速降低，100oC為0oC時的八分之一。
此乃物質與水化合組成一定之晶形者，其所含化合之水必有固定不變之百分率，例如硫酸銅（膽?#092;）、草酸、氯。許多化成合物直接與一定數目的水分子化合以形成水合物。在原來分子之後的附屬物水分子的性質常很複雜：以膽?#092;為例，4個水分子配位於硫酸根離子周圍，到了125oC時即可被拉開；但最後這個水分子卻牢牢地黏附著，直到250oC時才肯鬆手。硫酸是另一個穩定的水合物，但其性質指出有一種平衡狀態存在於水合物 SO3H2O與SO2(OH)2間。水溶液中的離子常成水合狀態：例如鋰離子Li+則成Li(H2O)6+。元素本身不常成水合物，除了溴與氯，它們形Br210H2O與Cl2‧6H2O。有些普通水合物以結晶水的狀態出現：洗濯鹼或碳酸鈉Na2Co3‧10H2O，和芒硝或硫酸鈉。鹽類可以形成幾種水合物；如硫酸銅生成：CuSO4‧5H2O，CaSO4‧3H2O和CuSO4‧H2O。如果水合物的蒸汽壓大於周遭的氣壓，鹽類就會失去水份而變成像白堊般的乾燥；這種過程叫做風化(efflorescence)，即水合物在乾燥空氣中間，水分逐漸蒸發而逸散，所遺結晶體遂碎裂為粉末之現象，如藍色的硫酸銅晶體，在乾燥空氣中，會因風化徐徐變成白色粉末之無水硫酸銅。反之，若是鹽類得到更多的水而變得潮濕，這個過程即為潮解(deliquescence)，如氯化鈣或氯化鎂於大氣中吸收水分變為潮濕甚至於成為飽和或近於飽和溶液的現象就是。
水可以呈現出氣相、液相或固相。根據已建立的原則，在溫度或壓力允許的情形下，可證明系統中的兩相可以平衡；不過若要三相共存時，必須溫度與壓力保持一定，此之謂三相點 (triple point) ，即在0.0099oC與0.0060大氣壓下。
各地的海水組成都有變化，是因為流入的淡水、蒸發率、雨水、冰山(iceberg)等有不同之故；武司特(Wust)說，在中洋的海水表面鹽度遵守這個公式：S=35.74+0.0126(E-P)，式中E與P分別代表每日的蒸發量與沈澱量(evaporation, E；precipitation， P；mm/day)。1公斤海水平均含有35克鹽；一項標準的分析顯示含氯化鈉(NaCl)26.9克；氯化鎂(MgCl2)3.2克；硫酸鎂(MgSO4)2.2克；硫酸鈣(CaSO4)1.4克；氯化鉀(KCl)0.6克；及許多其他化學物質計0.6克。
當地表水滲透到含鐵、鋰、硫(Fe,Li,S)及其他元素的化合物之岩石中，就形成了礦泉水(mineral water)，即含有多量物質或有氣味之水，如井水、泉水或海水。
硬水(hard water)含有鈣及鎂的碳酸鹽： Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2或鈣及鎂的硫酸鹽與氯化物，而軟水(soft water)則缺乏。當地表水流經含石膏(CaSO4)、石灰石(CaCO3)，或白雲石(CaCO3．MgCO3)的地區即生成。如果水中含硫酸鈣，據說會成永久硬水。若加入碳酸鈉把鈣沈澱成碳酸鈣，而使硫酸鈉存於溶液中，即可軟化。硬水遇到肥皂時，鈉鹽將不參與作用而耗盡，鈣鹽與鎂鹽則與之作用。暫時硬水含有鈣與鎂的重碳酸鹽；這種水可經下列幾種程序軟化：
1‧加熱可使重碳酸鹽分解成不溶性的碳酸鹽。
2‧克拉克法(Clark's pracess)，加入石灰水(氫氧化鈣)把重碳酸鹽轉化成不溶性的碳酸鹽。
3‧離子交換(ion-exchange)作用，此法日益重要。
石灰石洞穴之生成，是因含有溶入二氧化碳氣體的水流經石灰岩的分解作用之故。當溫度升高，則作用相反所生成的重碳酸鹽再次破壞石灰石：由於這種機制，碳酸鈣的鐘乳石(stalactite,懸掛的)與石筍(stalagmite,岩石上的垂柱)就生成了。硬水能與肥皂反應生成不溶於水之物質，易於染污洗滌之織物；若用於蒸汽鍋爐易生鍋垢，有礙導熱。
重水（heavy water）即D2O，含氧化氘（deuterium oxide）99%之水，痕量之重水產於普通水中，約占五千分之一，可由電解稀苛性鈉溶液，隨後蒸發而得，或由經過長時間電解所剩於電池殘留而得。氧化氘熔於3.8℃，沸點101.42℃，密度1.1058g/cm3（25℃），最大密度1.1073g/cm3（11.6℃）。重水能使某種微生物死亡，某種種子浸過重水，即不能發芽。
1931年，哈洛德‧克電頓‧尤列（Harold Clayton Urey，1893年生，美國化學家，曾獲1934年諾貝爾化學獎）在約輸‧霍普金斯指出，當液態氫被蒸發時，最後會剩下微量比正常稍重些的含有一種氫的同位素，它是普通氫的2倍重，這就叫做氘或重氫（deuterium，希臘文deuteros為二之意），符號D。後來，這種重氫已變成一種商品，其最常見的製備法是在鐵鎳電極中重複不斷地電解鹼性水；較輕的氫先生成。用這種較重的同位素所製成的水與普通水有著相當不同的性質。
就重量而言，天然產生的水中含有5,000分的水（H2O）和1分的重水（D2O）。這一點是千真萬確的，不論水的來源為何─溪水、雨水、不流動的池水、地下水或結晶水。
重水在生物機轉上也很有趣，例如，H：D之正常比為5,000：1，也出現在人體尿液中。但若某人喝的水含較高比的重水時，其後在他的尿量中可以發現有多少比率的水排出體外。即使在15天後仍可在其體內發約有半數存留！重水在核融合（nuclear-fusion）反應上也很重要！氘從氧中分離變成原子核融合反應的一個重要成分。D或H2之原子序1。原子量2.013，沸點-249.7℃，密度1.1025g/cm3（25℃）。
氚（tritiun），符號T或H3，亦為氫之同位素，發現於1934年，原子量3，在普通氫及其化合物中，約占10億分之一。因為它有放射性，氫及氘則無，故較危險，幸好在自然界的含量很少。身為重水的成分之一，1分氚對100萬兆（1018）分普通氫的比率出現於淡水湖中；在海洋表面則為1比1000萬兆（1：1019）；海洋深處則無。
固相水的冰，以用作冷卻劑而知名。它可以與液態和氣態水或只與氣態水保持平衡狀態而存在；若它只與水蒸汽共存於一個系統中而無液態存在，這種冰就是在進行昇華（sublimation）。
厚層的冰會顯現藍色，這是由於其折射性的緣故。冰的壓縮性很低。
因為水在4℃時密度最大，而冰只存在於─在標準壓力下─0℃或更低的溫度，顯然冰必須比水的密度低些。職是之故，一座冰山或一個小冰塊會部分浮於水面，大部分沉入水中。由於在0℃時冰與水之密度比為常數，故冰浮於水上時總以五分之一的體積露出水面。
水蒸汽是氣態或氣相的水。與一般觀念相反的是它看不見；而從開水壺裡冒出的可見水汽則是沸騰的水蒸汽所含的許多非常微細的水滴。此處所定義的水蒸汽熱性質使它成為維持地球上生命與提供人類舒適生活所極為重要的一個原動力。例如，大家耳熟能詳的事實就是：海洋吸收了來自太陽的熱能，生成水蒸汽進入大氣中，在那裡凝結為雲以降雨及下雪。
蒸發或汽化是物理與熱的變化，表示液體變為氣體，而凝結也是個相似的變化，只不過反向操作罷了！
為了描述汽化及其相關的物理與熱性質，想想在一玻璃汽缸中裝了1磅水，上面再裝一活塞、壓力計與溫度計（參見圖1）。可向上滑動的活塞上置重物，使壓力計達到100磅/平方吋（psi）的讀數，超過了氣壓；水的總壓力是115psi。此時若加熱的話，到了飽和溫度（338℉）將開始汽化。繼續加熱，飽和的水就汽化成水蒸汽；活塞升至如（圖2）的位置，而溫度與壓力也將跟著升高，最後將達臨界溫度705℉。在起初的實驗中，達成汽化前如果剩下的水消散成為充塞於氣體空間的小水滴，則此水蒸汽將被稱為潮濕的。反之，如果所有水都汽化了，這種水蒸汽就是乾燥的。這些情形可以一特質表出：乾燥水蒸汽表示百分之百。此特質不能超過百分之百，因為對乾燥水蒸汽再加熱將使溫度達到飽和溫度以上，因此使水蒸汽過熱，這種溫度升高的量就稱為過熱度數。
本文除帶領讀者們發掘水的各項特質與奧祕外，並於後列舉出各缺水國現況與水資源相關等數據提供參考，藉此呼籲民眾不要忘記節約水資源的重要性，讓我們的下一代能用水無虞。 |
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发表于 2004-8-18 00:05:40
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