“水”的千姿百态

液态水的存在使得我们的星球显得很特别。水是生命的根本，没有它每一个生命都会死亡。它覆盖了地球表面约70％，占我们身体的65-75％（我们的血液中有82％是水）。水（H2O）在室温下是无味的液体，是一种极性的无机化合物，几乎无色（略带淡蓝色）。这种简单的化合物是迄今为止被研究最多的化合物之一。

水是溪流，湖泊和海洋的主要成分，也是所有已知生命的必需成分。其化学式为H 2 O，水分子含有一个氧和两个氢原子，通过共价键连接。水严格指其液体状态，在标准环境温度和压力下广泛存在；但它通常也指其固态（冰）或其气态（蒸汽或水蒸汽）。

水覆盖了地球表面的71％[1]，对于所有已知的生命形式至关重要。在地球上，96.5％的水存在于海洋中，1.7％的为地下水，还有1.7％存在于南极和格陵兰的冰川、冰盖中，剩余很小的一部分约占0.001％，存在于空气、云雾以及降水中。[2] [3]仅有2.5％的水是淡水，其中98.8％的淡水存在于冰盖和地下水。所有淡水中只有不到0.3％的存在于河流，湖泊和大气层中，生物体和制成品中也含有较少量的淡水（0.003％）。

地球上的水不断地进行着蒸发，冷凝，降水和径流的水循环，通常回到海洋。蒸发和蒸腾有助于陆地降水。大量的水也以化学结合或吸附的方式存在于水合矿物质中。

安全饮用水对人类和其它生命至关重要，即使它不提供热量或有机营养。近几十年来，世界上几乎每一个地方的安全饮用水都有所改善，但依然有大约十亿人无法获得安全饮用水，超过25亿人无法获得足够的卫生设施。[5]获得安全用水和人均国内生产总值之间存在明显的相关性。[6]然而，一些观察家估计到2025年，世界将有一半以上的人口将面临水资源短缺。[7] 2009年11月发布的报告表明，到2030年，一些发展中地区的用水需求将超过供应量的50％。[8]水在世界经济中发挥重要作用，大约70％的淡水被人类用于农业[9]。

良好的溶剂

大部分的盐类和部分有机物可以溶解于水中，水被认为是能够溶解许多物质的“通用溶剂”[10] [11]，这使它成为“生命的溶剂”。有液态水的存在，自然界中的许多化学反应才得以发生或者被加速。有足够多的化学反应的发生，才有可能生成复杂的并且具有一定稳定性的分子形式。正因为如此，生命才得以在液态水的环境下出现。

水的很多性质源自于氢键

水分子彼此形成氢键，并且是极性的。水分子中氢的那一端带有正电，氧的那一端带有负电，正是这种极性使得一个水分子的氢与另一个水分子的氧相互吸引。这种极性允许其分离盐中的离子并且与其它极性物质如醇和酸牢固地结合，从而溶解它们。当极性物质放入水中时，其分子的正端被吸引到水分子的负端，反之亦然。这些性质导致溶质分子与水分子均匀混合。氢键还导致其具有许多的独特性质，例如具有比其液体形式更不致密的固体形式，相对较高的沸点(100℃)，以及较高的热容量。

特殊的相图

水的相图中液固线斜率是负的

在通常温度下，水是三种物相(固体、液体和气体)都能存在的唯一的天然物质。许多其他物质必须被加热或冷却才能改变状态。水在河流，湖泊和海洋中主要以液体形式存在。在大气中，水以水蒸气的形式广泛存在。正是因为如此，我们地球才有了水循环，这也是地球气候稳定的必要条件之一。在标准大气压下，水结成冰，体积会增大约11%。由于水变为冰体积会增加，根据克拉伯龙方程可知水的冻结温度随压力的增大而降低。大约每升高130个大气压，水的冻结温度降低1摄氏度，水的这种特性使大洋深处的水不会冻结。常规物质中，有且仅有3种比热比水大（氢气的比热容最大,14.30J/(g·K)；其次是氦气,5.193J/(g·K)；液氨4.609J/(g·K)）。

冰和水的密度

密度的变化

水的密度在3.982℃时最大，为1000kg/m3，温度高于3.982℃时（也可以忽略为4℃），水的密度随温度升高而减小 ，在0～3.984℃时，水热缩冷涨，密度随温度的升高而增加。

原因：主要由分子排列决定，也可以说由氢键导致。由于水分子有很强的极性，能通过氢键结合成缔合分子。液态水，除含有简单的水分子（H₂O）外，同时还含有缔合分子（H₂O）2和（H₂O）3等，当温度在0℃水未结冰时，大多数水分子是以（H₂O）3的缔合分子存在，当温度升高到3.98℃（101.375kPa）时水分子多以（H₂O）2缔合分子形式存在，分子占据空间相对减小，此时水的密度最大。如果温度再继续升高到3.982℃以上，水的热胀冷缩的效应将占据主导地位。水温降到0℃时，水结成冰，水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子，在冰中原子的排布方式是，每一个氧原子有四个氢原子近邻。冰的结构中有较大的空隙，所以冰的密度反而比同温度的水小。这是一件好事！如果水像大多数其他液体一样，湖泊和河流将冻结，所有的生命都会死亡。

正因为如此，所以在寒冷的时期，海洋的底部依然有液态水的存在。这可能也是地球曾经两次被上千米的冰层覆盖而地球生物依然留存下来的原因。

表面张力

由于它们的极性，水分子彼此强烈吸引，这使得水具有高的表面张力。水表面的分子“粘在一起”，在水面上形成一种“皮肤”，强度足以支撑非常轻的物体。在水面上行走的昆虫正在利用这种表面张力。表面张力会导致水分以水滴的形式聚集，而不是在薄层中展开。水具有很强的内聚力，能够允许其从植物根部向上移动到茎叶和其它部位。

在25℃下，水具有71.99mN / m的高表面张力，这是由水分子之间很强的内聚力引起的，这在常见的非离子、非金属液体中是最高的。 当少量的水被放置在无吸附剂（非吸附剂和非吸收性的）的表面时，例如聚乙烯或特氟隆，水将以水滴状聚集在一起。 同样明显的是，水能够在表面扰动下捕获空气形成气泡，如果持续足够长的时间还会把气体分子转移到水中。

水的汽化热

水在25°C时具有很高的比热容4.1814J /（g·K），是所有杂原子物质（氨之后）的第二高。在正常沸点下，汽化热（40.65 kJ / mol或2257 kJ / kg）也很高。这两个结果都是由于其分子之间普遍存在的氢键。 这两个特性使得水能够及大地稳定地球的气候。 据美国航空航天局喷气推进实验室的Josh Willis[11]介绍，海洋可以吸收比大气高出一千倍的热量。

正因为有水的存在，我们的星球才显得生机勃勃。作为我们生活中最重要的的物质，同时也是我们最常见的物质，水的重要性是不言而喻的，对于我们人类的生命而言，水是不可或缺的。正因为水具有如此之多的特性，它才成为了生命之根本。那么更深一层次的问题是，水为何会有这些特性？我想这些根本特性是可以从量子力学和电磁理论等科学理论中寻找到答案。

参考文献

1. "CIA – The world factbook". Central Intelligence Agency. Retrieved 20 December2008.

2. Gleick, P.H., ed. (1993). Water in Crisis: A Guide to the World's Freshwater Resources. Oxford University Press. p. 13, Table 2.1 "Water reserves on the earth".

3. Water Vapor in the Climate System, Special Report, [AGU], December 1995 (linked 4/2007). Vital Water UNEP. Archived 8 July 2009 at the Wayback Machine.

4. Crocket, Christopher (5 September 2015). "Quest to trace origin of Earth's water is 'a complete mess'". Science News. Retrieved 1 October 2015.

5. "MDG Report 2008" (PDF). Retrieved 25 July 2010.

6. "Public Services", Gapminder video

7. Kulshreshtha, S.N (1998). "A Global Outlook for Water Resources to the Year 2025". Water Resources Management. 12 (3): 167–184. doi:10.1023/A:1007957229865.

8. "Charting Our Water Future: Economic frameworks to inform decision-making" (PDF). Archived from the original (PDF) on 5 July 2010. Retrieved 25 July2010.

9. Baroni, L.; Cenci, L.; Tettamanti, M.; Berati, M. (2007). "Evaluating the environmental impact of various dietary patterns combined with different food production systems". European Journal of Clinical Nutrition. 61 (2): 279–286. PMID 17035955. doi:10.1038/sj.ejcn.1602522.

10.Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997).Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. p. 620. ISBN 0-08-037941-9.

11. NASA – Oceans of Climate Change. Nasa.gov (2009-04-22). Retrieved on 2011-11-22.