地球/5a. H2O：神奇的氣體、液體和固體
水 (H2O) 是地球表面最豐富的物質，也是宇宙中最豐富的分子之一。液態水覆蓋了地球表面的 71%，從太空中看地球呈現出醒目的藍色。作為太陽系中唯一一顆深藍色的星球，地球的位置非常理想，可以使 H2O 存在於三種狀態：海洋中的液態水、雲層中的水蒸氣以及地球冰川和雪中的冰。地球最驚人的特徵之一是，在其漫長的歷史中，H2O 的三種狀態都存在。
在木星冰封的衛星 木衛二 上，水被鎖定在冰封的海洋之下，溫度遠低於 -150 攝氏度，而火星的平均溫度為 -60 攝氏度，水只以冰的形式存在，主要集中在它的北極。
透過 好奇號火星車、火星勘測軌道飛行器 和其他火星探測任務，人們發現了火星早期存在液態水的證據，表明火星在幾十億年前的歷史早期可能比現在更溫暖。
金星比地球更靠近太陽，平均溫度為 462 攝氏度，遠高於水的沸點，金星上的所有水都以水蒸氣的形式存在於其表面上方厚厚炎熱的大氣中。即使是地球的月球也缺乏明顯的水的液態和氣態形式，儘管其晝夜溫差從夜間的 -173 攝氏度到白天的 127 攝氏度，但月球岩石和塵埃中痕量水的極端脫水和再水化導致幾乎永久凍結的冰在靠近寒冷的極地以及太陽每日熱量照射不到的冰冷陰影中積聚。
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地球上動態的海洋液態水、大氣中的水蒸氣以及雪和冰在太陽系中確實是獨一無二的。這是由於行星溫度的微妙平衡，跨越了水的熔點和沸點，但不會在這個範圍內變得過於寒冷或炎熱。
水分子化學式為 H2O，每個水分子都有兩個氫原子透過共價鍵與一個氧原子結合。在 1 個大氣壓（海平面）下，冷卻到 0 攝氏度（32 華氏度）的水會凍結成冰，加熱到 100 攝氏度（212 華氏度）的水會沸騰成蒸汽或水蒸氣。“三相點”是相圖上的一個點，它說明了物質在不同溫度和壓力下所有三種狀態（氣態、液態、固態）可以共存。水的三相點發生在 0.0075 °C（32.0135 °F）和 611.657 帕斯卡或 0.006 個大氣壓下。這個點類似於在海平面正常大氣壓下使水凍結的低溫，但三相點可以在地球表面上方 36 公里的極低大氣壓下自然發生，導致冰、水和水蒸氣在地球高空平流層中共存。
水、冰和水蒸氣具有寬吸收帶，包括可見光譜以外的電磁輻射的長波長，包括紅外光和微波輻射長度。在視覺光譜中，水和冰分子弱吸收波長長達 750 奈米的波長，阻擋了一些可見的紅色光波，導致水和冰呈現藍色。水的紅外電磁輻射的寬吸收帶導致水的熱容量很高。
事實上，水在常見分子中的比熱容是最高的之一。水還表現出高汽化熱，這使水在達到沸點之前不會沸騰。凍結的水具有很高的熔化比焓或潛熱，這意味著與其他型別的分子相比，融化冰並升高水的溫度需要大量的能量。由於這三種不尋常的熱學性質，水及其在地球上的分佈對地球的氣候有深遠的影響，因為它可以儲存大量的熱量，並且可以抵抗作為冰凍結時的升溫。冰在 −10 °C 的比熱容為 2.03 J/(g·K)，蒸汽在 100 °C 的熱容量為 2.08 J/(g·K)。這些不尋常的性質（高熱容量、高汽化熱和高熔化比焓）是單個分子之間形成的強氫鍵的結果。
在液態水中，水分子中的氫原子由於水分子輕微的極化而被吸引到相鄰分子中的氧原子。氧原子包含 8 個質子（+8 電荷），它會比包含 1 個質子（+1 電荷）的氫原子更強烈地吸引軌道電子。這意味著水分子中的氧原子帶有部分負電荷，這是因為負電荷電子被吸引到氧原子核，而氫原子將帶有輕微的部分正電荷。這種極化導致水分子定向，使得氫原子被吸引到相鄰分子。這種吸引力很弱，很容易斷裂。水分子中單個氫鍵的壽命非常短，在一杯水中，新的氫鍵不斷形成和斷裂。這與將單個氧原子和兩個氫原子結合在一起的強共價鍵非常不同。這些共價鍵需要相當大的能量才能斷裂，並且牢固地結合在一起。
儘管氫鍵很弱，但它很重要，因為它導致了水所具有的獨特化學性質。液態水具有很高的內聚力。內聚力是分子彼此之間相互吸引的力。氫鍵使液態水分子彼此吸引，使它們粘在一起，並使水在形成水滴時呈現出“皮膚”的外觀。當液態水分子粘在一起時，它們會由於弱氫鍵將這些分子結合在一起而形成球形液滴，這就是內聚力。這種內聚力導致很強的表面張力，它是液體表面的抵抗外部力的性質。例如，如果你小心的話，你可以讓一個回形針漂浮在液態水的表面上，這是由於這種高表面張力。水的表面張力很高，使水黽等昆蟲（如水黽科昆蟲）可以在水面行走而不沉入水中。水分子還與其他分子表現出輕微的附著力，特別是那些具有氧原子（如二氧化矽玻璃 SiO2）和氫原子（如塑膠（C2H4)x 聚合物中發現的碳氫化合物）的分子。這種附著力會導致在玻璃邊緣附近形成彎月面。
當水分子附著在固體表面（如試管、塑膠燒瓶或酒杯）時，會形成一個凹陷的彎月面，稱為彎月面。這是因為水分子與相鄰的氧原子或氫原子之間存在弱氫鍵，這種粘附作用導致了水的表面張力。這種粘附力會導致毛細現象，使水能夠被拉入細小的管子中，例如自然界中需要水的維管植物的根部和莖部，甚至在活體動物的血管中。
水分子具有獨特的極性，每側帶有微弱的正電荷和負電荷，這使得液態水分子能夠破壞置於液態水中的固體的離子鍵。這使得水能夠溶解固體，例如透過破壞固體中原子之間的弱離子鍵來溶解鹽。能夠溶解由弱離子鍵形成的固體物質的液體被稱為溶劑。水被認為是地球上最重要的溶劑之一，它可以溶解比任何其他液體更多的固體物質。
食鹽由帶正電的鈉離子 Na+ 和帶負電的氯離子 Cl− 組成，它們透過相反的電荷相互吸引。當食鹽放入液態水中時，它會分離並溶解。Na+ 會被帶負電荷的水分子氧側吸引，而 Cl− 會被帶正電荷的水分子氫側吸引，從而破壞 Na+ 和 Cl− 之間的離子鍵，形成固體鹽晶體。這些離子將存在於鹽水中，溶解在液態水中。如果在液態水中加入更多食鹽，則液體將變得過飽和。過飽和液體是一種溶液，其中溶解物質的含量超過了溶劑所能溶解的量，並且將開始從水中析出。固體在液體中溶解的量取決於溫度。這在製作糖果時經常被使用，在糖果製作過程中，將糖加入沸水中，隨著水的冷卻，能夠溶解的糖量減少，糖晶體會形成。當分子中含有氫離子 H+ 或氫氧根離子 OH− 被新增到水中時，就會發生最有趣的化學性質之一。
19 世紀 90 年代，丹麥卡爾斯伯格啤酒廠的化學家 約翰·凱爾達爾 被賦予一項任務，即找出用於釀造啤酒的穀物中含有多少蛋白質。啤酒廠使用的穀物中蛋白質含量越低，啤酒產量就越高，因為蛋白質在酒精發酵過程中並不需要。凱爾達爾成功地開發了一種方法來測量穀物中氮的含量，氮存在於蛋白質中，而不存在於糖中。因此，穀物中發現的氮含量越高，穀物中所含的蛋白質就越多。1900 年 7 月的一天，約翰·凱爾達爾突然去世，年僅 50 歲。他在啤酒廠的職位空缺引起了年輕的丹麥化學家 索倫·彼得·勞裡茨·索倫森 的注意。索倫森從小就想成為一名醫生，但他對無機化學和地質學產生了興趣。在大學期間，他夏季在丹麥的地質調查中工作，但他真正的熱情是化學。他希望成為一名老師，但卡爾斯伯格啤酒廠的職位薪酬要高得多，他因此獲得了這份工作。他承擔了一項新任務，即瞭解蛋白質和其他複雜的有機分子是如何分解的。蛋白質可以透過將其加熱到高溫來分解，釀酒師將穀物煮沸以製作麥芽，但人們也知道酸也可以分解蛋白質。在啤酒廠工作期間，索倫森對酸的工作原理進行了仔細的研究。
當含有包含氫的離子鍵的物質的分子被新增到水中時，就會形成酸，例如 HCl（鹽酸）。氫離子 H+ 會從 Cl− 陰離子中分離出來，導致溶解，就像鹽（NaCl）一樣。然而，氫離子 H+ 在溶解後反應性很強，會與複雜的蛋白質發生反應，將其分解。使液體成為酸的是溶解在液體中的氫離子 H+ 的數量。中和這些過量的氫離子 H+ 的一種方法是引入含有 OH− 陰離子的物質，例如 Ca(OH)2（氫氧化鈣）。這些 OH− 陰離子會與 H+ 陽離子反應並形成 H2O。含有過量 OH− 陰離子的液體被稱為鹼性，而含有過量 H+ 陽離子的液體被稱為酸性。純水 (H2O) 不含過量的 H+ 陽離子，也不含過量的 OH− 陰離子，因此呈中性。
在啤酒廠的實驗室裡，索倫森需要開發一種方法，將各種液體分類成一個標尺，以表明它們在實驗中的酸度或鹼度。1909 年，他開發了一種對數標尺，現在廣泛應用於化學、地質學和生物學領域。後來在 1924 年修改為pH 值標尺。
索倫森知道，即使在含有大量 OH− 陰離子的液體中，也總會存在少量的 H+ 陽離子。隨著 OH− 陰離子含量的增加，H+ 陽離子的含量將呈指數級下降。在中性水中，索倫森發現活性 H+ 陽離子的含量僅為每摩爾 0.000000003540133 個，寫出帶有如此多零的如此小的數字並沒有什麼用，因此索倫森開發了一種簡單的方法，使用反對數標尺，這意味著液體中 H+ 陽離子的含量越大，標尺上的數字就越小。
每摩爾含有 0.5 個 H+ 陽離子的液體將具有非常低的 pH 值 0.3，而含有微量（例如每摩爾 0.0000000001 個 H+ 陽離子）的液體將具有很高的 pH 值 10。pH 值低於 7 的液體為酸性，而 pH 值高於 7 的液體為鹼性。漂白劑和其他家用清潔劑的 pH 值約為 13.5，而醋的 pH 值約為 3。極低的 pH 值和極高的 pH 值很容易分解蛋白質，過量的 H+ 陽離子或 OH− 陰離子都會導致這種情況。標尺上高低端這些液體具有很強的腐蝕性且很危險，包括液體排水管清潔劑（非常高的 pH 值）和電池酸（非常低的 pH 值）。瞭解 pH 值對於瞭解地球上的水非常重要，因為水是一種強大的溶劑，會破壞離子鍵，導致水中混合了不同數量的 H+ 陽離子或 OH− 陰離子。這對於瞭解地球上雨水、地下水、河流、湖泊和海洋的化學性質尤為重要。
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