水的奇妙性质

1水的奇妙性质水，是我们最常见到的物质，也是我们生活中必须的三要素之一。但我们对水的了解到底有多少呢？在我们的生物世界里，最重要的物质是碳元素、这是生物的基础，其次就是水、使生物具有活性的媒介。第一：水分子元素组分组成水分子的氢元素和氧元素具有低能级的原子核，分别形成了稳定的原子结构，而稳定的原子结构是长时间生命演化必须的物质基础。第二：水分子的形成⑴根据电子轨道能级分布，1个氧原子和1个氢原子的外层电子轨道需要有4对和1对电子对才是完整和稳定的，同时电子轨道能级最低；⑵单个原子由于电子对的不足，使电子在该轨道上处于较高的能级，而电子由较高的能级跃迁到最低能级是原子结构的量子特性。⑶为满足原子结构的量子特性，当氢原子与氧原子相遇时，必然形成共享电子对，使形成的水分子中氢和氧的外层电子处于较低能级；⑷依据原子的电负性，在不同的温度压力条件下，氢与氧的化学反应产物有水和双氧水，由于氧原子的电负性高于氢原子，使氧原子倾向优先与氢原子结合而形成水分子；⑸依据物质熵值总量最大化的原则，当参加化学反应的氢气的摩尔量不足一半或正好一半的时候，最终生成双氧水、超过一半的时候最终生成双氧水与水的混合物，正好或过量的时候，最终生成水；⑹遵从原子结构的量子特性，在双氧水分子遇到电负性较低的还原剂时，容易失去1个氧原子形成水分子，同样，当水分子遇到电负性比氧原子更高的氟原子时，氧原子失去的氢原子与氟原子形成了电子对轨道能级更低的氟化氢分子，原先水分子中的氧原子则被还原成原子氧；⑺由于在总体上，2个氢分子与1个氧分子中的电子轨道能级高于2个水分子的电子轨道能级，形成水分子时电子轨道的能级跃迁由高至低，故该化学过程为放热反应。第三：水分子的结构⑴水分子是2个氢原子和1个氧原子组成的，结构式是H2O；⑵从原子数量的角度看，似乎由于2个氢原子之间的正电性互斥应形成直线性的H-O-H结构；⑶但是根据原子轨道上电子在成对时轨道能级最低的这一量子特性，水分子中氧原子外层电子轨道上的8个电子组成了4个电子对，包括2个氧原子与氢原子共享所形成的2个共价键的成键电子对、以及由氧原子提供的2个孤对电子对；⑷根据价层电子对互斥理论，孤对电子对之间的斥力孤对电子对与成键电子对的斥力成键电子对之间的斥力；⑸因此，由于电子对之间的斥力不同，造成了水分子中的氧原子外层电子对同侧分布，即2个孤对电子对在一侧、另外2个成键电子对（即氢原子）在另一侧；⑹分子的结构，依原子分布、水分子呈V型结构，依电子对分布、水分子呈四面体结构（非正四面体结构）。2第四：水分子的极性根据水分子结构，分子中氧原子单独提供的2个孤对电子对呈负电性，氢原子与氧原子共享所形成的2个共价键的成键电子对呈正电性，最终形成在四面体结构中为V型结构的极性分子。水分子的极性与巧合的键强，使水具有氢键这一特性第五：水的溶点和沸点水具有较高的溶点和沸点。按照氧在主族中的位置推测，水呈现液态的温度应是-100—-80摄氏度，也就是说，在目前的地球温度压力下水应该呈现气态。而事实上侧为液态、很特殊，这是氢键起到的关键作用。因此，三态水在自然生态环境中具有不可估量的调节作用，也在生物进化过程中起到了独特的作用。第六：水的固液特性在物质世界，随着温度变化，水的体积变化是极少不遵循“热胀冷缩”规律的物质之一，主要是由于水结冰时，由于氢键的缔合作用，使得每个水分子与另外三个水分子结合形成正四面体结构，从而造成体积膨胀而比重变小。这种液态到固态“热缩冷胀”特性，首先保证了地球的表面具有海洋存在、而海洋调节了地球的气温，否则遵循“热胀冷缩”的水，在冰冻的固态下沉降到海底、沉降到海底的冰由于极少吸收太阳能而不易结冻，渐渐由下而上地使海洋形成一块巨大的冰块冰将太阳辐射到地表的热能反射回太空，最终是地球形成一个冰球；其次是可以降低宇宙射线对水下的生物直接杀伤，保护了生物进化过程的连续性；第三保证水底部生物需要的溶解氧以及其他营养物的补充等。第七：水的高比热特性在所有液体和固体中，水具有最大的热容量；水的生成热285.83KJ/mol、汽化热40.67KJ/mol、熔解热6.02KJ/mol、摩尔热容量75.2KJ/mol。在物质同样重量的情况下，水吸收与放出的热量最大，也意味着在与其他物质吸收同样的热量的时候，水的温度变化最小，对地球而言，水的高比热特性使海洋具有良好的温度调节能力，为生物进化提供了平缓的温度变化，也为生物体本身体液的温度调节方式提供了根本保证。第八：水的强表面张力特性水分子的极性与巧合的键强组合，使水具有氢键这一特性。这一特性导致水具有很强的、仅次于水银的表面张力。结果是；在生命形成过程中，有利于生物细胞的形成和存续；在生物成长的过程中，土壤靠水的表面张力，能够保持水分在土壤中，进一步通过毛细作用将水供给到土壤耕作层，更使生物输送大量水分和营养物到植物全身。第九：水的强大溶解特性水是极其优秀的溶剂，可以溶解相当多的物质，这对于有机生命体来说，提供了一个在碳元素骨架因素之外的另一个足以维生的环境，实现了有机体内部的物质多样化输送。3第十：水的优秀化学性能独特的水，由于各种奇妙特性，使其具有其他物质难以比拟的、优秀的化学性能。其一是小于其他化学键的氢键强度，可以与其它化学键结合形成了定向的、有弹性的适度分子空间，为生命体预留了进化的余地，其二是结合水的强大溶解特性，使大部分生物化学反应可以在水中进行，其三是通过直接参与生物化学过程的物理与化学反应，使水成为生命体的有效组成成分，进一步参与了生命体的生物机能调节。水分子的种类分子的结构式是H2O，实际上氢原子有三种同位素1H（氕H）、2H（氘D）、3H（氚T），氧有三种同位素16O、17O、18O，所以水实际上是18种水分子的混合物C32C31=18。水的组成成分H2O是最普通的水分子（包括H216O（99.73%）、H217O（0.18%）、H218O（0.037%）、），总量占99.937%；还有是重水（包括D216O、D217O、D218O）和超重水（包括T216O、T217O、T218O）；其余的水为（氧）重水和（氧）超重水。给水净化与污水处理由于水的特殊性，给水净化相对容易，主要是去除及少量的颗粒杂质和盐分；污水处理相对较难，主要是由于污染物成分复杂、化学降解过程难以把握，尤其是随着污染物浓度与成分不同变化、需要做比给水净化更多的试验、实验与研究。结束语水-人类的生命源泉，水-环境的污染之源。