液态水

**水**是地球上極常見的物質，是由氫、氧兩種元素經過化學反應後組成的無機化合物（分子式：H2O），在常溫常壓下為無色無味的透明液體。

水是包括人類在內所有生命生存的重要資源，在生命演化中有重要作用，也是生物體最重要的組成部分。人體內有百分之七十是水。人體的不同器官水份含量差別很大。

水在科學、哲學、宗教、文學、美術、體育等都有其象徵。

## 概念

* 水體：
  * 大的水體如：海水、冰山、冰川、地下水、地表水（河流、湖泊）等。
  * 小的水體如：水滴、雲、露水、雨、雪、冰雹等。
* 飲用水：可供飲用的水。瓶裝水用於個人使用和零售。
  * 礦泉水：由礦泉湧出或加工成的飲用水。
  * 自來水：水廠供給用戶的飲用水。
  * 碳酸水：在壓力下將二氧化碳氣體溶入水中的飲料。
* 水質：水的化學、物理、生物和輻射性質。
  * 硬度：水中所含鈣和鎂的總量。分為：軟水、中等硬水、硬水、極硬水。
  * 鹽度：每一千克的水內的溶解物質的克數。分為：淡水（超純水、純淨水、蒸餾水）、鹽水（半鹹水、鹹水、滷水）。生理鹽水是指滲透壓與血漿相等的氯化鈉溶液。
* 水分子：
  * 結晶水：又稱水合水。在結晶物質中，以化學鍵力與離子或分子相結合的、數量一定的水分子。
  * 重水的化學分子式為 D2O，每個分子由兩個氘原子和一個氧原子構成。重水在天然水中占不到萬分之二，通過電解水得到的重水比黃金還昂貴。重水可以用來做原子反應爐的減速劑和載熱劑。
  * 超重水的化學分子式為 T2O，每個分子由兩個氚原子和一個氧原子構成。超重水在天然水中極其稀少，其比例不到十億分之一。超重水的製取成本比重水高上萬倍。
  * 半重水的化學分子式為 HDO，每個分子中含一個氫原子、一個氘原子和一個氧原子。

## 性質

### 物理性質

水在常溫常壓下為無色無味的透明液體。水的三相點是 273.16K（611.73Pa 下），臨界點是 647K（22.064 MPa 下）。在臨界點之上水無法存在液相及固相，而在臨界點之下水蒸汽容易結成液相。純水可以通過蒸餾作用取得，當然，這也是相對意義上的純水，不可能絕對沒有雜質。水是一種可以在液態、氣態和固態之間轉化的物質。

在 20℃時，水的熱導率為 0.006 J/s・cm・K，冰的熱導率為 0.023 J/s・cm・K，在雪的密度為 0.1×103 kg/m3 時，雪的熱導率為 0.00029 J/s・cm・K。水的密度在 3.98℃時最大，為 1×103kg/m3，溫度高於 3.98℃時，水的密度隨溫度升高而減小，在 0～3.98℃時，水不服從熱脹冷縮的規律，密度隨溫度的升高而增加。水在 0℃時，密度為 0.99987×103 kg/m3，冰在 0℃時，密度為 0.9167×103 kg/m3。因此冰可以浮在水面上。水的定壓摩爾熱容會隨溫度變化，在 0℃ 時，水的定壓摩爾熱容為 $75.817\;{\rm {J\cdot mol^{-1}\cdot K^{-1}}}$ ，在 20℃ 時，水的定壓摩爾熱容為 $75.165\;{\rm {J\cdot mol^{-1}\cdot K^{-1}}}$ ，在 100℃ 時，水的定壓摩爾熱容為 $75.541\;{\rm {J\cdot mol^{-1}\cdot K^{-1}}}$ 。

具有很大的內聚力和表面張力，除汞以外，水的表面張力最大，並能產生較明顯的毛細現象和吸附現象。純水有極微弱的導電能力，但普通的水因含有少量電解質（如礦物質、溶解大氣中二氧化碳形成的碳酸）而有較強的導電能力。

### 化學性質

水的熱穩定性很強，當水蒸氣加熱到 2000K 以上時，也只有極少量的水離解為氫和氧，但水在通電的條件下（水電解）會離解為氫和氧。此電解的最低電壓限制為 1.23 伏特。

在自然界，純水是罕見的，水通常多是含有酸、鹼、鹽等物質的溶液，習慣上仍然把這種水溶液稱為水。水可以用來溶解很多種物質，是很好的極性無機溶劑，用水作溶劑的溶液，就稱為水溶液。用「aq」作為記號，如「HCl (aq)」。特別需要注意的是，如果不作特殊說明，「xx 溶液」，指的就是含有 "xx" 的水溶液。

當物質溶解於水時，離子化合物在水中發生電離，以離子態存在，這樣的溶液一般是透明的。當分子溶於水時，有些可以與水發生反應，形成新物質，這些新物質溶解於水中，或者這些分子直接填補水分子間的空隙。這些分子、離子等都是溶質。一般來說，離子分子和極性分子諸如酸、酒精和鹽類透過和水分子產生氫鍵而比較容易溶解在水中。

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。

## 分布

### 在地球上

地球表層水體構成了水圈，包括海洋、河流、湖泊、沼澤、冰川、積雪、地下水和大氣中的水。由於注入海洋的水帶有一定的鹽分，加上常年的積累和蒸發作用，海和大洋裡的水都是鹹水，不能直接飲用。某些湖泊的水也是含鹽水。世界上最大的水體是太平洋。北美的五大湖是最大的淡水水系。歐亞大陸上的裏海是最大的鹹水湖。

地球上水的體積大約有 13.6 億立方公里。其中：

* 海洋佔 1,320,000,000 立方公里（即 97.1%）；
* 冰川和冰蓋佔 25,000,000 立方公里（即 1.8%）；
* 地下水佔 13,000,000 立方公里（即 1.0%）；
* 河流、湖泊以及內陸海裡的淡水佔 250,000 立方公里（即 0.0018%）；
* 大氣中的水蒸氣在任何已知的時候都佔 13,000 立方公里（即 0.0001%）。

地球是太陽系八大行星之中唯一由液態水所覆蓋的星球。地球上水的起源在學術上存在很大的分歧，目前有幾十種不同的水形成學說。有觀點認為在地球形成初期，原始大氣中的氫、氧化合成水，水蒸氣逐步凝結下來並形成海洋；也有觀點認為，形成地球的星雲物質中原先就存在水的成分。另外的觀點認為，原始地殼中矽酸鹽等物質受火山影響而發生反應、析出水分。也有觀點認為，地球吸引的彗星和隕石是地球上水的主要來源

### 在宇宙中

在銀河系星雲中被探明存在水，由於氫和氧是構成宇宙的主要元素，科學家認為其他星系中依然存在大量水。

星雲塵埃凝聚，形成各種彗星、行星、矮行星及其衛星，水也在這些天體上。在太陽系中，水以固體形式在以下天體：

* 月球
* 水星、火星、海王星
* 冥王星
* 天然衛星、如海衛一、木衛二

目前尚只在地球上發現液態形式的水。科學家預測液態水也極有可能在土衛二的表面。

## 水科學

* 水文學（英語：Hydrology）屬於地理學，研究的是關於地球表面、土壤中、岩石下和大氣中水的各種行為，包含水循環、含量、分布、物理化學特性、對物質影響以及與所有生物之間關係的科學。
* 水力學是研究以水為代表的液體機械運動規律及其在生產實踐中應用的學科。

## 意義與影響

### 對氣候

水對氣候具有調節作用。大氣中的水汽能吸收地面輻射量的 60%，再以大氣逆輻射的形式返回地面，從而對地面起到保溫作用。水的比熱容很大，海洋和陸地水體在夏季能吸收和積累熱量，使氣溫不致過高；在冬季則能緩慢地釋放熱量，使氣溫不致過低。

雨雪等降水活動對氣候形成重要的影響。海洋和地表中的水蒸發到天空中形成了雲，雲中的水通過降水落下來變成雨，零度以下則變成雪。由於不同的條件，水還會以冰雹、霧、露水、霜等形態出現並影響氣候和人類的活動。

### 對地形

水覆蓋 71% 地球表面，從空中來看，地球是藍色星球。水侵蝕岩石土壤，沖淤河道，夾帶泥沙，營造平原，改變地表形態。

### 對生物

大部分學說認為，地球上的生命最初是在水中出現的。水中生活著大量的水生植被等水生生物。

水是所有生物體的重要組成部分。人體中水占 70%；而水母中 98% 都是水。在生物體中，水是一種緩衝的溶液，利用解離出的氫氧基 (OH-) 以及質子 (H+) 可以將外來少量的強酸或強鹼中和，如此可確保細胞中的蛋白質結構的完整性，而對酵素而言，在酵素的結構上需要維持一定的結構才具有活性。而經由上述案例可說明在生物體內需要利用水的化學及物理性質才可維持生物體結構 (細胞型狀) 及機能 (如酵素活性) 上的穩定。

水有利部分生物化學反應，維持其生理機能，如動物的消化作用及植物的光合作用。在生物體內還起到運輸物質的作用，如血液中的血漿絕大部分都是水，有助於體內營養及氧的傳輸。由於水可以透過蒸發而降低溫度，因此水對於維持生物體溫度的穩定起很大作用，如動物的汗液及植物的蒸騰作用。

植物在運送水分時，是利用水的氫鍵互相牽引所形成如水鏈狀結構，在植物專門運送水分的導管中形成氫鍵使水分子不會受到引力作用而掉落至導管管壁，再利用蒸散作用帶動水分向上運輸。在植物水分的運輸過程中充分的解釋了水的運輸牽涉於水的物理性質。

水的氫鍵使水成為特優的吸熱能力，水將大部份所吸收的熱，用來打斷氫鍵，因此不會增加液體的溫度，而水的比熱容在 25℃時，大約是 4200J kg-1 K-1，比其它液體普遍較高。因為有此項特質，生活在水中的有機體能得到水的保護，而不會因空氣中溫度的急遽變化而有致命的危險。

### 對人類

水是人類生活的重要資源，一天必需攝取 2~3 公升的水，並提供人們日常生活用水和工農業生產用水，特別是農業需要大量灌溉水。人類文明的起源大多都在大河流域，早期城市一般都在水邊建立，以解決灌溉、飲用和排污問題。在人類日常生活中，水對於人類各方面的作用不可或缺。

隨著科學技術的發展，人們興修水利，與水澇害和洪水等自然災害作鬥爭。因此形成了一些專門與水有關的研究領域，如水力學，水文科學，水處理等，甚而產生了以水為生的產業水產業。

## 水資源

水是地球上的任何生物、生命體的必需物質，缺水的土壤便無法孕育生物，淡水更是灌溉與孕育陸地生物的必要元素，淡水的來源、節約、儲存、利用是全球的重要議題。

地球上水總儲量約為 1.36x1018m3，但除去海洋等鹹水資源外，只有 2.5% 為淡水。淡水又主要以冰川和深層地下水的形式存在，河流和湖泊中的淡水僅占世界總淡水的 0.3%。

世界氣象組織於 1996 年初指出：缺水是全世界城市面臨的首要問題，估計到 2050 年，全球有 46％的城市人口將面臨著缺水問題。對於水資源稀少的地區來說，水已經超出生活資源的範圍，而成為戰略資源，由於水資源的稀有性，水戰爭爆發的可能性越來越高。

為了讓全世界都關心淡水資源短缺的問題，第 47 屆聯合國大會決定將每年 3 月 22 日定為「世界水日」。

早期人們會抽取使用地下水，然而使用地下水會造成地層下陷並破壞地底結構，造成無法回復的永久性破壞，亦有可能阻斷地下水，所以許多國家立法禁止使用地下水，以避免各種永久性的損害。

海水淡化是其一種對策，但由於耗用能量過高及成本過高，多數海水淡化廠在建成後不久就因資金不足被迫關閉。在杜拜這個乾旱但富裕的地方，則利用這個方法取得淡水。

### 來源

淡水水資源的主要來源包括雨水、雪水、河水、淡化海水和地下水、回收水等。

#### 水循環

水循環（hydro-logical cycle）是水的自然循環過程。從蒸發到凝結再到蒸發，從雲變成水，冰，再到水蒸氣。地球上的水之所以一直留存，就是因為水循環。水循環通常是冰→水→雲→水（→冰）的過程。

### 功用

人類生活和生產的方方面面都要使用到水資源。

* 農業用水：各種灌溉用水，動、植物用水。
* 工業用水：輕工業、重工業、機械工程、土木工程建築工程、高科技產業、能源產業皆須使用水資源。化學工業也非常多樣化。一方面，它是無機和有機合成中必不可少的溶劑，反應介質或試劑。烷烴的蒸汽重整產生合成氣，蒸汽裂解產生非常有價值的烯烴（乙烯，丙烯）。它在基於丙烷和丙烯氧化的丙烯酸合成中也起著重要作用。還正在深入研究以從水中生產過氧化氫。
* 都市用水：村落用水，生物都需要水分，人類的生活亦須使用水。
* 觀光用水：美麗的風景和觀光區，皆需要使用水分。噴泉（包括音樂噴泉）以噴射水柱成為其中一個景觀。
* 沙漠灌溉用水：沙漠化是全球重要且困難的議題，沙漠化的原因在於水分的流失或缺少，因此要解決沙漠化問題，必須要有相當充足的水分灌溉並維持住水分。

### 儲存

* 河水：用建在河流與湖泊中的水庫儲存。
* 汙水：回收淨化後儲存。
* 雨水：收集儲存。
* 海水：淡化後儲存。

水資源的儲水、供水、分配和調節亦是全球的重要議題。

### 節約

* 生物的生活與水資源息息相關，然而在水資源的節約上，有很多的議題，例如廢水的回收與再使用（中水）、都市污水處理系統、雨水收集使用、各式省水器具 (省水馬桶等)、大力推廣農業滴灌種植技術。
* 水資源對於生物如此重要，水資源的節約是全球相當重要性的議題。

### 造水

因為水對生命非常重要，所以人類嘗試著根據水的基本特性以科學、技術、物理、化學、能量等各種方式來造水以增加水資源。

### 汙染

水汙染即水體因某種物質的介入，而導致其化學、物理、生物或者放射性等方面特徵的改變，從而影響水的有效利用，危害人體健康或者破壞生態環境。水體中，最重要的指數是溶解氧。外來物質進入水體後，可以被微生物分解，被溶解氧氧化，這都要消耗一定的溶解氧，這叫做水體的「自淨能力」，如果外來物質太多，溶解氧被完全消耗，就是超過了水體的自淨能力，水中生物會因缺氧而窒息死亡或中毒，這就是污染狀態。

汙染的水若被生物飲用或灌溉，會嚴重的損害生物的健康，造成生物體被破壞、衰弱、生成疾病，嚴重者即失去生命。換言之，生物若飲用潔淨的水，可保持健康、促進循環。因此避免水汙染在全球是個重要的議題。為了解決這一問題，汙水處理等水汙染控制措施就變得十分必要。

## 水文化

人類很早就開始對水產生了認識，聖經創世紀記載，水是神創造萬物之前就存在的元素，「太初之時，上帝創造天地。 地乃虛曠，淵際晦冥，**上帝之神，煦育乎水面**」。(創世記 1:1-2) 東西方古代樸素的物質觀中都把水視為一種基本的組成元素。

### 古代世界觀中的水

在文明的早期，人們開始探討世界各種事物的組成或者分類，水在其中扮演了重要角色。古代西方提出的四元素說中就有水；佛教中的四大種也有水；中國古代的五行學說中水代表了所有的液體，以及具有流動、潤濕、陰柔性質的事物。

老子認為，如果在世界上找一樣事物來描寫「道」，最適合的就是「水」。因此，在《老子》第八章：「上善若水。水善利萬物而不爭，處眾人之所惡，故幾於道。」水滋潤大地萬物，卻不爭奪顯赫的位置，處於大眾討厭的位置，去充滿低洼之地，所以就接近於道了。第七十八章又說：「天下柔弱莫過於水，而攻堅強者莫之能勝，以其無以易之。」指出柔弱勝剛強的道理。《荀子》：「水能載舟，亦能覆舟」，指出了君王與民眾的關系。

### 水崇拜

在從前，古人對於水兼有養育與毀滅能力、不可捉摸的性情，產生了又愛又怕的感情，而導致了水崇拜的出現。通過賦予水以神的靈性，祈求水給人類帶來豐收和幸福。

中國傳統上的龍王就是對水的神格化。凡有水域水源處皆有龍王，龍王廟、堂遍及全國各地。祭龍王祈雨是中國傳統的信仰習俗。

### 水文逸

在某些地區，文逸代表常人，水文逸就是水親近生活的叫法，賦予其靈性，因而產生了水文逸這個文化。

## 參見

* 牛頓流體

## 參考資料

## 延伸閱讀

[編]

　
: 《欽定古今圖書集成・方輿彙編・坤輿典・水部》，出自陳夢雷《古今圖書集成》

## 外部連結

* （英文）水化學（水的化學常識）
* 水資源知識和數據
* 中東水源問題分析
* 水戰爭相關報導 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）