水分子

**水**是一種無色、無味的化合物，分子式為 H2O，除了以氣體形式存在於大氣中，其液體和固體形式占據了地面 70-75% 的組成部分，是地球表面上最多的物質。標準狀況下，水分子在液體和氣體之間保持動態平衡。室溫下，它是無色，無味，透明的液體。作為通用溶劑之一，水可以溶解許多物質。因此，自然界極少有水的純淨物。

## 熱力學性質

### 相態

水以多種形態存在，而一般只有液態的水才被視為水。

* 氣態：氣態的水即我們所說的水蒸氣。水蒸氣是無色的，我們看到的白色水氣是水蒸氣冷凝後的液態小水滴。
* 過冷水是低過 0℃的水，在破壞平衡下會迅速結冰。超臨界水是在高壓和高溫環境下形成的水，不僅具有極強的氧化能力，而且極易與油和其他物質混合，具有很強融合能力。
* 固態的水即我們熟知的冰。由於氫鍵的存在，當水被冷卻至冰點附近時，水分子能透過重組來使能量最小化的關係，所以氫鍵的存在意味著分子可以形成帶六角形晶體結構的冰，這種冰的密度實際上較低：因此於固態時（冰）會浮水上。亦即是說，水結冰時會膨脹（負熱膨脹）。在足夠壓力下，固體密度比液體低會帶來一個有趣的效果。當壓力增加時熔點下降，而當熔點溫度比周圍環境低時冰會熔化。要使熔點大幅度下降需要增加相當大的壓力 —— 溜冰者所施加的壓力只會把熔點下調約 0.09℃。
* 熱冰是水的另一個驚人現象，即水在室溫下，加以 106V/m 的電場，也能變成冰。這個現象被用來解釋雲的形成，雲層里的冰晶初次形成時需要−10 °C 的低溫，而後來再次結冰只需要−5 °C，這意味著晶體的結構發生了改變。
* 聚合水是一個水的聚合物的假設，在 1960 年代晚期是科學界的爭論話題之一。現在多數人認為聚合水並不存在。

### 相變

* 三相點：固態、液態和氣態能同時存在的溫度和壓力就被稱為水的三相點。這點用於制定溫度單位（開氏度，間接攝氏度，甚至華氏度都是）。約定俗成的三相點溫度為 273.16 K (0.01 oC)，而壓力則為 611.73 Pa。這個壓力是頗低的，約為海平面大氣壓力（101,325 Pa）的 1/166。火星這行星上的表面大氣壓力跟三相點壓力非常地相近，故火星的零海拔或「海平面」被規定為大氣壓力跟三相點壓力一致的高度。
* 臨界點：在其臨界溫度及壓力（647K 及 22.064MPa）時，水分子會變為一種「超臨界」狀態，液態般的水滴漂浮於氣態之中。
* 熔點、沸點：儘管氫鍵是一種相對較弱的引力（跟連接水分子內原子的共價鍵比較時），但是它造就了水的多個特性。其中一個特性就是水相對較高的熔點及沸點，因為需要更多能量才能夠克服分子間的氫鍵。相近的化合物硫化氫（H2S）的氫鍵較水的弱，在室溫下是氣體。維也納標準平均海水（VSMOW）的熔點在 273.1500089 (10) K / 0.000089 (10)℃ ，沸點在 373.1339 K / 99.9839 ℃。在歷史上，人們曾利用水的性質來定義溫度的標度。值得注意的是，熱力學溫標、攝氏溫標和華氏溫標都是，或曾經是用水的熔沸點來定義的。其他不常用的溫標，例如 Delisle 溫標、牛頓溫標、列氏溫標和羅默溫標，也是用相似的方法定義的。在現代，人們更普遍使用水的三相點作為一個標準點。

水分子間額外的鍵為液態水帶來了高比熱容。這種高比熱容使水成為一種較佳的熱量儲存媒介。

## 分子間作用

水分子間的電磁相互作用分為氫鍵和凡得瓦力。氫鍵是一種較強的分子間作用力，強於凡得瓦力，又比化學鍵弱得多。一個水分子最多能形成四條氫鍵，因為它能夠在接受兩個電子的同時也可以提供兩個電子。水跟其他氫鍵液體（如氟化氫、氨及甲醇）在熱力學、動能及結構方面的表現差別明顯，原因在於水是唯一能形成四條氫鍵的分子，其他分子不能這樣做的原因有二：一是由於它們不能再提供或接受氫，二是由於這樣做會形成引起立體效應的殘餘物。由水的四條氫鍵所形成的正四面體序列，產生了開放結構以及三維結合網絡，跟簡單液體內部的緊密結構截然不同。儘管水是有氫鍵結合網絡的液體，而二氧化矽則有高熔點的電價網絡，但兩者的異常表現仍有相近之處。水適用於生命體，而且被牠們採用，原因在於它在各生物程序適應的一系列溫度狀況下展示出獨有的性質，包括水合作用。

一般被認為水的氫鍵主要是由靜電力及一些電價性所導致的。氫鍵的類電價性質由萊納斯・鮑林於 1930 年代預測，至今仍待實驗及理論計算的明確證明。

### 表面張力

水的表面張力其大小與溫度負相關。由於水具有所有非金屬液體中最大的表面張力值 72.8 mN/m（20℃），使水滴保持相對穩定。當少量水滴滴在玻璃板上，即可觀察到水的表面張力：水滴繼續保持液滴狀態。另一個常見的例子是，向一杯注滿水的玻璃杯中緩緩投放硬幣，水不會立刻溢出，而是向上凸起。

### 毛細現象

水的毛細現象對生物來說非常重要。例如，植物吸水時，水通過莖內的木質部向上運輸。強大的分子間作用力維持維管束中水的柱狀形態，粘接性使水柱聚集，粘性使水緊貼維管束壁，而張力則能防止葉面蒸騰作用導致水柱斷裂。其他低張力的液體則會導致液柱裂開，形成真空，使蒸騰作用失效。

### 浸潤性

水的浸潤性是指水在物體表面的展開性和滲透性。水滴會在親水性物體，如玻璃、金屬等表面展開形成水膜，在疏水性物體如蠟的表面則會形成球形。滲透性是指一種材料在不損壞介質構造情況下，能使水通過的能力。

### 偶極性

水的一項重要特性就是它的極性。水分子呈角狀，當中氫原子位於末端而氧原子則在頂點。由於氧的電負度比氫高，所以分子中有氧原子的一邊電荷會偏負。帶這樣一個電荷差的分子被稱為偶極子。電荷差使得水分子互相吸引（偏正電的區域會被偏負電的區域吸引），同時亦使它們和其他極性分子互相吸引。這種吸引力被稱為氫鍵，它解釋了許多水的特性。某些分子，如二氧化碳，原子間負電性亦有差異，但不同之處在於二氧化碳分子形狀成對稱排列，因此對立電荷會被相互抵消。如果將電荷靠近小水柱時亦可觀察到水的此一現象，這現象會使水柱向電荷方向彎曲。

## 物理性質

### 莫耳質量

水（H2O）的莫耳質量為 18g・mol⁻¹，即 6.02×1023 個水分子的質量為 18 克。重水（D2O）是普通水的氫原子被它更重的同位素 (氘) 所取代而形成的，莫耳質量為 20g・mol⁻¹，其化學性質和普通水基本一致，常用在核反應爐中減速中子。1933 年，吉爾伯特・牛頓・劉易斯分離出來第一份純的重水。超重水（T2O）由兩個氚和一個氧組成，莫耳質量為 22g・mol⁻¹，半衰期約 12 年。

### 純水密度

冰的密度比液態水要「低」，所以冰會在浮水上。在室溫時，液態水在溫度降低時密度會增加，但在接近冰點的 3.98°C 時，水達到其最大密度，而且當水的溫度繼續向冰點下降，在標準狀態下液態水會膨脹，密度並因此會變「低」。這現象的物理原因跟普通冰的晶體結構有關，該結構又被稱為六角形。水、鎵、鉍、銻和矽都會在凝固時膨脹；其他大部份材料則收縮。但要注意的是，並不是所有種類的冰密度都比液態水低。例如高密度非結晶冰和超高密度非結晶冰的密度都比液態純水要高。因此，普通冰密度比水高的理由並不能容易地憑直覺所得，而且它跟氫鍵固有的不尋常特性有很大的關係。

總的來說，水在凝固時的膨脹是由於其以氫鍵不尋常的彈性而排成的縱列分子結構，以及能量特別低的六角形晶體形態（也就是標準狀態下所採用的形態）。那就是當水冷卻的時候，它嘗試在晶格形態下成堆，而該晶格會把鍵的旋轉及振動分量拉長，所以一個水分子會被鄰近的幾個分子推擠，這實際上就減少了當水在標準狀態下成冰時的水密度 _ρ_。

這特性在地球生態系統中的重要性是不言而喻的。例如，「如果」水凝固的時候密度較高的話，極地環境中的湖泊和海洋最後都會結成冰（從上至下）。這是因為此時冰會沉到湖底及河床，而必要的升溫現象（見下文）在夏季時則因暖水層質量比底下的固態冰層低而發生不了。自然界的一個重要特徵就是上述並不會在環境中自然發生。

然而，冷水（在相關生物系統中的一般自然設定下）因氫鍵而在從冰點以上的 3.98°C 所開始產生的不尋常膨脹，為淡水生物在冬季提供了一重要的好處。在表面上被冷凍的水沉下，形成提供對流的水流並冷卻整個水體，但當湖水到達 4°C 時，若繼續冷卻則表面水密度降低，形成一表面層，該層水最後會凝固成冰。由於向下的冷水流被密度的轉變擋住，冬季任何由淡水所成的大水體最冷的水都會在表面附近，離開湖底及河床。這說明了多種不為人知的冰性質，它們跟湖中的冰相關及像二十世紀早期科學家卡夫特（Horatio D. Craft）所描述的「跌出湖的冰」。

### 可壓縮性

水的壓縮係數隨壓力和溫度變化。在 0℃和 0 氣壓情況下，水的壓縮係數是 5.1×107 bar−1。 隨著壓力的增大，壓縮係數不斷減小，在 0℃達到 3.9×107 bar−1。水的本體模量是 2.2×109Pa。 非氣體，尤其是水的低可壓縮性，使人們往往錯誤地認為水不可壓縮。水的低可壓縮性，意味著即便是在 4000 米深的海底，壓力達到 4×107Pa，水的體積也僅僅減少了 1.8%。

### 導電性質

不包含任何離子的水是優良的絕緣體，可即使是去離子水也不是完全沒有離子的。水在絕對零度以上的任何溫度下都會發生自偶游離。由於水是優良的溶劑，所以其中總會含有微量的溶質，多數情況下為無機鹽。即使很少量的雜質也會使水導電，因為溶於水中的鹽會游離為自由離子。水分子的導電過程被稱為格羅特斯機理（Grotthuss mechanism）。

## 化學性質

### 水的電解

通常情況下，水可由通電而分解為氫氣和氧氣兩種物質，此過程被稱為電解。此時水分子游離出的 H+ 及 OH−離子，分別向陰極及陽極移動。兩個 H+ 在陰極獲得兩電子形成氣體 H2，而四個 OH−則於陽極結合並釋放出氧氣、分子水及四個電子。氣體生成氣泡升上水面，可被收集。已知水電阻率的最大理論值於 25℃時約為 182 kΩ・m2/m（18.2 MΩ·cm2/cm）。此數字與超純水系統逆滲透時觀測到的相當一致，該系統的水經超過濾及去游離處理，半導體製造廠等會用到。鹽或酸等污染物水平即使超過一萬億分之一 (ppt)，都會使電阻率水平大幅下降達好幾個 kΩ・m2/m（相等於電導上升幾百 nS/m）。

 ${\ce {2H2O <=> 2H2 + O2}}$ 1800 年，英國化學家威廉・尼科爾森第一次使用電解的方法將水分解成為氫氣和氧氣。1805 年，約瑟夫・路易・給呂薩克和亞歷山大・馮・洪堡展示了水是由兩體積的氫和一體積的氧組成。

### 水作為溶劑

由於水的極性，水是一種良好溶劑。當離子或極性化合物進入水中，就會被水分子立刻包圍。水的相對分子質量使一個溶質分子可以被多個水分子包圍。偶極中偏負電的部分受溶質中的正電部份吸引，而偶極中的正電部分則反之亦然。

一般來說，離子分子和極性分子諸如酸，酒精，和鹽類比較容易溶解在水中，而非極性分子如脂類，油，等有機物在水中由於凡得瓦力作用而聚集。

一個離子化合物溶質的典型例子是食鹽（NaCl），它會在水中分離為 Na+ 陽離子和 Cl−陰離子，每個被水分子包圍的離子會從晶格上移走，進入溶液。一個非離子溶質的例子是蔗糖，水中的氫離子與蔗糖的 - OH 基結合，從而將蔗糖分子帶入溶液。

### 水的兩性

在化學上，水是一種兩性物質，即水可以同時充當酸和鹼。當水的 pH 值為 7（中性）時，氫氧根離子（OH−）濃度等於水合氫離子（H3O+）濃度。當化學平衡被破壞時，兩種離子的比例發生變化，而表現出酸性或鹼性。

根據布侖斯惕 - 勞里酸鹼理論（Brønsted-Lowry）系統，酸被解釋為一種在反應中失去質子（一個 H+ 離子）的物質，而鹼則是在反應中得到質子的物質。所以在反應中遇到強酸，水就充當鹼，相反，遇到強鹼，水就充當酸。例如，在平衡狀態中，水從 HCl 得到 H+ 離子，充當鹼：

　
: HCl + H2O ⇌ H3O+ + Cl−

在和氨水的反應中，H2O 失去 H+ 離子，水充當酸：

　
: NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH−

### 水的酸性

理論上，在 298 K 溫度下的水的 pH 值為 7。而事實上，純水的製備是非常困難的。暴露在空氣中的水會迅速的吸收二氧化碳，生成低濃度的碳酸 (pH 極限值為 5.7)。雲滴形成以及雨滴掉落的過程中，水也會吸收空氣中 CO2，因此大部分水都是弱酸性的。如果空氣中氮氧化物和硫氧化物含量過高，就會導致酸雨。

### 水分子的孤對電子

水分子上還有未成鍵的孤對電子，能與酸放出的氫離子結合生成水合氫離子，所以水也是一種路易斯鹼。

H2O+H+→H3O+

## 量子特性

儘管水的分子式一般被認為是分子熱力學的穩定結果，但於 1995 年開始的近期研究指出在水的亞原子量子水平時，水表現得較像 H3/2O，而不是 H2O。 此結果可能對生物、化學及物理系統裏的氫鍵等水平上產生重要的分支課題。實驗指出當中子及質子與水碰撞時，它們的散射方式表明它們只受 1.5:1 的氫氧比率所影響。然而，能觀測到這反應的時間段需以微微微秒（10−18 s）來量度，故此只與被高度分解的運動及動力系統有關係。

## 系統命名法

水（Water）和**氧烷**（oxidane）是被國際純粹與應用化學聯合會承認的正式名稱。另外**氧化氫**這個名稱也用來描述這個分子。

對水來說，最簡潔的系統命名是「氧化氫」。這個命名與對相關化合物命名相似，如過氧化氫、硫化氫和氧化氘（重水）。另外一個系統名稱是氧烷（oxidane），它被用來作為對基於氧的相關取代基系統命名時的母體。 但事實上，這些取代基常常有其他的推薦名稱，例如，羥基（hydroxyl）被推薦來描述 - OH 集團，而不是「oxidanyl」。IUPAC 也認為不應該使用 oxane 來描述這個分子，因為它已經被用來描述一個環醚，也被叫做四氫吡喃。相似的化合物還包括二㗁烷和三氧雜環己烷（trioxane）。

## 參考文獻

## 參見

* 水合氫離子
* 路易斯鹼
* 一氧化二氫惡作劇
* 水動力學

## 外部連結

* 斯德哥爾摩國際水協會 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） (SIWI)
* 水反常性質的解釋
* Computational 化學 Wiki
* 水相圖（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）