第二章

让我们开始认识——水
水——究竟是什么？很多人似乎很清楚，但又一知半解，现在，就让我们进入到一个研究水的迷人历程来吧！
 
水——究竟是什么
 人们认知的错误
千百年来，人们都在同水打交道。但是，这个“水”究竟是什么，人们却一直茫然。
“水不是元素，而是氢和氧构成的化合物”，这个问题现在人们已经了解了，然而时间向前推溯两三百年，人们对此却茫然无知。
直到17世纪，著名的英国学者玻意耳在他的名著《怀疑派化学家》一书中说，元素应该是这样一种基质，可以和其他元素结合而形成化合物，但把它从化合物中分离出来以后，便不再分解为任何比它更为简单的物质了。玻意耳的这个新理论，既驳斥了长期困扰人们的亚里士多德四元素说，也给科学界提出了许多新的研究课题。
玻意耳死后，奇迹出现了。一位爱好化学的药剂师发现，装在瓶子里的黄磷燃烧后，瓶子里的空气减少了l/5，而且剩下的部分既不能燃烧，又不能维系生命。后来经过法国科学家们多次实验，证明空气是一种混合物，其中氧气占1/5，氮气占4/5。这件事对当时的科学界震动很大——空气能分解，水难道就不能分解吗？
公元1773年，英国化学家卡文迪什试着点燃了混合装入开口容器中的氢气和氧气。瞬息之间，便产生了猛烈的爆炸和尖锐的啸鸣。这个实验使另一位英国化学家普列斯特莱产生了极大的兴趣，他常常像变魔术似的演示给别人看。一次，他的一位好友无意中发现，原本是干燥的容器，爆鸣后突然潮湿了。这个发现引起了卡文迪什的高度重视，经他验证确认，使容器潮湿的液体正是水。
这一发现清楚地告诉人们，水不是元素，而是氢和氧的化合物。遗憾的是，卡文迪什和普列斯特莱都是元素论的忠实信徒，他们仍然坚持着水是一种元素的错误观点。
 拉瓦锡的贡献
到了公元1783年，法国科学家拉瓦锡认定，水是氢和氧组成的化合物，并在众目睽睽之下做实验给大家看。首先，他把水蒸气通入烧红的铁管，水分子便在高温烘烤下被解体了：氢气顺着铁管流动，并从管口溢出；氧气却与铁化合，在管壁生成四氧化三铁。然后，他又重复卡文迪什和普列斯特莱在氧气中燃烧氢气而合成水的实验……当这两种实验都成功地做完之后，拉瓦锡便当众宣布：水是一种由氢和氧组成的化合物，而不是一种“元素”；水的质量等于组成它的氢和氧这两种气体的质量之和。
至此，拉瓦锡彻底摘掉了水的“元素”帽子，揭开了水的“神秘面纱”，还原了水的真实面目。
 
结晶水到底是怎么回事
 把水中的“水”挤出来
我们对水都有感性的认识，一件衣服浸满了水，只要把水挤出去，再晾干（其实是另外一种把水挤出去的方法），衣服就重新干燥起来了。
但是，我们可否换一个角度。如果我们把水“挤干”，那会是什么样的有趣的现象。那样，我们会得到“干巴巴”的水。
也许你会觉得奇怪：世界上哪有什么“干巴巴”的水？即使水冻成了冰，用手一摸，仍然给人以湿的感觉，这个“干”又从何说起？
 结晶水
那么你是否见过胆矾呢？它是一种蓝色半透明、如石头一般的东西，化学名字叫五水硫酸铜。看上去，胆矾呈颗粒状，干燥无水，即使碾成粉末，也不见半点水的影子。然而，它里面包含的水，按分子个数计算，竟是硫酸铜的5倍。
这种含在胆矾里面的水，便是“干巴巴”的水，化学上叫作“结晶水”。
说到这里，你不免会问：结晶水是通过一个什么样的途径钻到胆矾里面去的呢？回答这个问题，还要从无机盐微粒在水里溶解时普遍存在的水合作用讲起。当无机盐溶于水时，不仅有无机盐微粒在水里扩散的物理过程，而且有无机盐微粒与水结合的化学过程，即水合过程。把不含结晶水、呈白色粉末状的硫酸铜溶解在水里以后，通过水合过程，很快就生成了五水硫酸铜。我们见到溶液由无色变为蓝色，那便是水合铜离子在“变戏法”。
硫酸铜溶液中的水分子，在硫酸铜从水里析出成晶体时，有的回到水里；有的则以结晶水形式保留在晶体中。这种结晶水的每一个分子都在晶体中占据一定的位置，而且彼此牵制，不能移动，自然也不会跑了出来。
 结晶水的现象
自然界能形成结晶水合物的无机盐是很多的：用来做钢笔墨水的是七水硫酸亚铁，用来做泻剂的是七水合硫酸镁，用来做木材防腐剂和白色颜料的是七水合硫酸锌……
实验表明，各种结晶水合物的稳定性与蒸气压（单位时间内晶体中的水分子跑到气体中去的数量，恰好等于气体中的水分子跑回晶体中来的数量时，气体中水分子所造成的压力）大小有关。当其蒸气压大于空气中的水汽压时，它将交出部分甚至全部水分子。否则相反，将夺取空气中的水分，并占为己有。这里的“交出”和“夺取”，就是所谓的“风化”和“潮解”。
此外，有些结晶水合物，在结晶水的水分子数目发生变化时，晶体的颜色也随着发生变化。利用这种现象，我们可以做一朵有趣的“晴雨花”。
 
水的三态变换
 水的三态
这里的“态”，指的是物质的固有形态。
和其他物质一样，水也有三态：固态叫冰，液态叫水，气态叫水汽。
和其他物质一样，水的三态也可以相互转化。
春天乍到，河面上的冰融化成水而汩汩流去，这就是水的固液转化，叫作“融解”；冬天一来，河里的水冻结成冰而封死河面，这就是水的液固转化，叫作“凝固”；夏天，枝头上的露珠，一见阳光便隐身匿迹，这就是水的液气转化，叫作“蒸发”；秋天，屋顶上的白霜，一见阳光就遁影失踪，这就是水的固气转化，叫作“升华”；高空中的水汽化作云雨或化作雪花，这就是水的气液转化或气固转化，叫作“凝结”或“凝华”。
水在地球上如此纷繁的三态变化，共有六种，统称为水的“三态循环”，即水的“内循环”。
此外，有人还把水体表面和内部同时进行的液气转化——“沸腾”，也认作是一种内循环。
近年来，还有人认为，冰升华为水汽，实质上是冰先融解成水，水再蒸发为水汽。因为冰的表面，甚至在负温度下，仍有一层“薄膜水”（过冷的、近似液态的结合水）覆盖其上。冰升华，纯粹是薄膜水在蒸发，跟着才是冰融解，不断地补充薄膜水。持这种观点的人，主张水的内循环，还可以减去一种。
 三态转换的条件
和其他物质一样，水的三态转化也是有条件的，温度和压力是这些转化的正、副“导演”。
一个标准大气压下，温度低于0℃，水分子能量甚微，内聚力把它们聚成固态的冰；温度上升到0℃时，水分子获得一定程度的运动自由，凝结硬度逐渐消失，冰就融解为液态的水；当温度进一步升高时，内聚力再不能把水分子聚拢在一处了，于是先在水的液面发生蒸发，后来温度升到了100℃，液体内部的水分子也能挣脱“羁绊”，冲出水面，水便开始沸腾为水汽了。
讲到这里，读者不禁要问：水在三态转化的过程中，能否出现三态共存的局面呢？回答是肯定的——能。但是，得有严格的外界条件，只有当温度为0.0075℃，压力为4.58mmHg时，才能奏效。科学家把这两个数字确定的坐标点，叫作水的“三相点”。
水的三位循环
水的三“位”循环里的“位”，指的是水在地球上所处的位置——海洋、天空和陆地。
关于水的外循环，早在公元前6世纪，就有学者说过：“海水被风驱入地球内部，并在山岩的压力下徐徐上升，给泉水以发端，供河流以补养。”
稍晚一些时候，古希腊哲学家柏拉图又进一步肯定：“水的本源是大洋。水自大洋经地狱（大洋底上的窟窿）灌进地球深处，再从地球深处升溢地表而重新汇入大洋。”显然，那时人们对水的认识，尚处于启蒙阶段，涉及的范围也仅限于地表水和地下水。
直到亚里士多德阐明“水自表面蒸发”和“水在冷大气圈中凝聚（凝结）为液态”以后，才算把大气水囊括进来，从而引出了关于现代水的外循环概念。
 水的循环
据考查，海洋表面，年平均蒸发水量约为44.8万立方千米。而海洋上的年平均降水量约为41.2万立方千米。两相比较，降水量比蒸发水量少了3.6万立方千米。
那么，这些水究竟到哪里去了？
据考查，在陆地上，赤道地区，年平均蒸发水量可达240厘米。北纬35°的北卡罗来纳州，年平均蒸发水量为80～120厘米。北纬50°的英国，年平均蒸发水量为50厘米。北纬65°的芬兰，年平均蒸发水量为20厘米。还有约占陆地一半面积的地方，被冰盖、沙漠、秃山和苔原所占，这些地区几乎没有蒸发水量。所以陆地表面年平均蒸发水量不过47厘米左右，约合6.3万立方千米。而陆地上的年平均降水量，却接近9.9万立方千米。两相比较，降水量比蒸发水量多了3.6万立方千米。
那么，这些水又是从哪里来的呢？
水的外循环理论告诉我们：海洋上不知去向的水，就是陆地上来路不明的水。也就是说，海洋每年从空中向陆地赠送了3.6万立方千米的水。而毫不吝啬的陆地，随即又通过江河和地下径流，如数地还给了海洋。
如果把水的外循环比作是水的长途旅行。那么它们的旅行路线有三条：第一条是海洋—天空—地面（或地下）—江河—海洋；第二条是海洋—天空—海洋；第三条是地面—天空—地面。
水的外循环是个不断进行的过程，水通过外循环在自然界里运动，太阳辐射是这一运动的动力之源。
 水循环的重要意义
水循环是地球生命的血液。如果没有水循环，地球上有水的地方将永远是汪洋一片或冰天雪地；无水的地方将永远是无比的干燥，云、雾、雨、雪等必要的、丰富多彩的天气现象也就自然不会发生，生物能够生存的空间将十分狭小，广大陆地将是绝对荒凉的不毛之地。因为，不仅没有飞禽走兽之类的动物，也不会有千姿百态的植物，即使那极其微小的微生物也难以生存。
明白了这个道理，对天上的水为什么下不尽、河里的水为什么流不完、井泉的水为什么不会干涸、海洋的水为什么不会溢出……都能给出一个正确的解答：有源有流、有吞有吐、有上有下、有来有去，周而复始，永恒不绝。在这里，江河、海洋、地面（或地下）、天空等，不过是水的外循环的中间环节罢了。
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水的化学定义：一个氧原子与两个氢原子构成的氢氧化合物，其分子式为H2O。
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结晶水是结合在化合物中的水分子，它们并不是液态水。很多晶体含有结晶水，但并不是所有的晶体都含有结晶水。
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水的物理特性：
沸点：99.975℃
凝固点：0℃
最大相对密度时的温度：3.98℃
密度：1000千克/平方米（4℃时）
临界温度：374.2℃
浮力分类：悬浮、漂浮、沉浮
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水循环的三个定义：
定义1：水循环是指水由地球不同的地方透过吸收太阳带来的能量转变存在的模式到地球另一些地方，例如：地面的水份被太阳蒸发成为空气中的水蒸汽。
定义2：在太阳能和地球表面热能的作用下，地球上的水不断被蒸发成为水蒸气，进入大气。水蒸气遇冷又凝聚成水，在重力的作用下，以降水的形式落到地面，这个周而复始的过程，称为水循环。
定义3：水循环是指大自然的水通过蒸发，植物蒸腾，水汽输送，降水，地表径流，下渗，地下径流等环节，在水圈，大气圈，岩石圈，生物圈中进行连续运动的过程。