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%，從太空中看地球時呈現出令人驚歎的藍色。作為太陽系中唯一一顆深藍色的星球，地球在其與太陽的理想位置上獨一無二，可以促進 H2O 的三種狀態：海洋中的液態水、雲層中的水蒸氣和地球冰川和雪中的冰。地球最令人驚奇的特點之一是，在其漫長的歷史中，H2O 的三種狀態都存在。
在木星的冰衛星 木衛二 上，水被鎖定在冰凍的海面之下，溫度遠低於 -150 攝氏度，而火星的平均溫度為 -60 攝氏度，水只以冰凍狀態存在，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 和其他探測火星的任務，發現了火星早期存在液態水的證據，表明火星在其數十億年前的早期歷史中可能比現在更溫暖。
金星，一顆比地球略微靠近太陽的行星，平均溫度為 462 攝氏度，遠高於水的沸點，金星上所有的水都以水蒸氣的形式存在於其表面厚厚的熱大氣中。即使是地球的月球也缺乏顯著的液態和氣態水，儘管日夜溫差很大，從夜間的 -173 攝氏度到白天的 127 攝氏度，月球岩石和塵埃中微量水的極端日常脫水和再水合導致近乎永久凍結的冰積累在寒冷的極地以及太陽每日熱量照射的冰陰影中。
_and_north_pole_(right).webp)
地球海洋中的動態液態水、大氣中的水蒸氣以及雪和冰在太陽系中是真正獨特和特殊的。這是由於行星溫度的微妙平衡，跨越了水的熔點和沸點，但在這個範圍內並沒有過冷或過熱。
水的化學式為 H2O，每個水分子有兩個氫原子透過共價鍵連線到一個氧原子。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，而加熱到 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，說明物質在不同溫度和壓力下的狀態，三個狀態（氣態、液態、固態）可以共存。水的三相點出現在 0.0075 攝氏度（32.0135 華氏度）和 611.657 帕斯卡或 0.006 個大氣壓。這個點類似於在海平面正常大氣壓下凍結水的低溫，但三相點可能自然發生在地球表面以上 36 公里的極低大氣壓下，導致冰、水和水蒸氣在地球表面以上的高層大氣平流層中共存。
水、冰和水蒸氣具有一個寬的吸收帶，包括可見光譜之外的電磁輻射的長波長，包括紅外光和微波輻射。在可見光譜中，水和冰的分子弱吸收波長低至 750 奈米的波長，阻擋一些可見紅光波，導致水和冰呈藍色。水的紅外電磁輻射寬頻吸收導致水的熱容很高。
事實上，水在常見分子中具有最高的比熱容。水還表現出很高的汽化熱，這使得水在達到沸點之前不會沸騰。凍結的水具有很高的熔化焓或潛熱，這意味著與其他型別的分子相比，熔化冰並將水的溫度升高需要大量的能量。由於這三種非凡的熱學性質，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冰的升溫。冰在 -10 攝氏度的比熱容為 2.03 J/(g·K)，蒸汽在 100 攝氏度的比熱容為 2.08 J/(g·K)。這些不尋常的性質（高熱容、高汽化熱和高熔化焓）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），並且比包含 1 個質子（+1 電荷）的氫原子更吸引軌道電子。這意味著水分子中的氧原子由於負電荷電子被吸引到氧原子核而帶有部分負電荷，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，因此氫原子被吸引到相鄰分子。這種吸引力很弱，很容易被破壞。水分子中單個氫鍵的壽命非常非常短，一杯水中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完全不同。這些共價鍵需要相當大的能量才能斷裂，並且具有很強的結合力。
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。內聚力是分子之間相互吸引的力。氫鍵使液態水分子相互吸引，使它們粘在一起，並在形成水滴時使水呈現出“薄膜”狀。當液態水分子粘在一起時，由於弱氫鍵將這些分子結合在一起，它們會形成球形水滴，這就是所謂的內聚力。這種內聚力導致很強的表面張力，即液體表面抵抗外力的性質。例如，如果你小心的話，你可以讓一個回形針漂浮在液態水面上，這是由於這種高表面張力。水的表面張力很高，使水黽科的昆蟲可以在水面上行走，而不會沉入水中。水分子也表現出對其他分子的輕微附著力，特別是那些含有氧原子（如二氧化矽玻璃 SiO2）和氫原子（如塑膠（C2H4）x 聚合物中發現的烴）的分子。這種附著力導致在玻璃邊緣附近形成彎月面。
彎月面是一種凹陷，是由水分子粘附在固體表面（如試管、塑膠燒瓶或酒杯）上造成的。這是由於水分子與它們接觸的氧原子或氫原子之間的弱氫鍵的粘附力引起的。這種附著力會導致毛細作用，使水能夠被拉入狹窄的細管中，這些細管存在於自然界的植物根部和莖部（需要水）以及活體動物的血管中。
水分子獨特的極化特性，在每一側都帶有輕微的正電荷和負電荷，使液態水分子能夠破壞放置在液態水中的固體的離子鍵。這使得水能夠溶解固體，例如鹽，透過破壞固體中原子之間的弱離子鍵。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，它能溶解比任何其他液體更多的固體物質。
由 Na+ 陽離子和 Cl− 陰離子組成，它們透過相反的電荷相互吸引，食鹽在放入液態水中時會分解並溶解。Na+ 會被帶輕微負電荷的水分子氧側吸引，而 Cl− 會被水分子氫側吸引，從而破壞 Na+ 和 Cl− 之間的離子鍵，從而形成固體鹽晶體。這些離子將存在於鹽溶液中，它們已溶解在液態水中。如果在液態水中加入更多鹽，溶液將變得過飽和。過飽和溶液是指溶液中溶解的物質比溶劑所能溶解的物質更多，並且會開始從水中析出。固體在液體中溶解的量取決於溫度。這在製糖時經常用到，糖被新增到沸水中，隨著水的冷卻，糖的溶解量減少，糖晶體會析出。最有趣的化學性質之一發生在分子中含有氫離子 H+ 或氫氧根離子 OH− 時被新增到水中。
在 19 世紀 90 年代，約翰·凱爾達爾，一位在卡爾斯伯格啤酒廠工作的丹麥化學家，被分配了一項任務，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的蛋白質含量越低，能夠生產的啤酒就越多，因為蛋白質在酒精發酵過程中不需要。凱爾達爾取得了成功，並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，但不存在於糖中。因此，穀物中發現的氮越多，穀物中蛋白質含量就越高。有一天，在 1900 年 7 月，約翰·凱爾達爾突然去世，享年 50 歲。他在啤酒廠的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。索倫森從小就希望成為一名醫生，但他對無機化學和地質學產生了興趣。在大學期間，他在丹麥的地質調查中度過了夏天，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更高，他獲得了啤酒廠的工作。他承擔了一項新的任務，即瞭解蛋白質和其他複雜的生物有機分子是如何被分解的。蛋白質可以透過加熱到高溫來分解，釀酒師將穀物煮沸以製成麥芽，但眾所周知，酸也能分解蛋白質。在啤酒廠工作期間，索倫森仔細研究了酸的作用方式。
當將含有包含氫的離子鍵的物質的分子新增到水中時，就會形成酸，例如 HCl（鹽酸）。氫離子 H+ 陽離子會與 Cl− 陰離子分離，導致溶解，就像鹽 (NaCl) 一樣。然而，氫離子 H+ 陽離子在溶解後具有很高的反應活性，會與複雜的生物有機蛋白質反應並將其分解。使液體呈酸性的原因是液體中溶解了多少氫離子 H+ 陽離子。中和這些過量的氫離子 H+ 陽離子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− 陰離子的液體稱為鹼性，而含有過量 H+ 陽離子的液體稱為酸性。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。
在他的啤酒廠實驗室中，索倫森需要開發一種方法來將各種液體分類到一個標度中，以衡量它們在他實驗中的酸性或鹼性程度。1909 年，他開發了一個對數標度，該標度現已廣泛應用於化學、地質學和生物學。後來在 1924 年修改為pH 標度。
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− 陰離子的加入，H+ 陽離子的數量會呈指數級減小。在中性水中，索倫森發現活性 H+ 陽離子每摩爾僅為 0.000000003540133，需要寫出這麼多零的小數並不實用，因此索倫森開發了一種使用反對數標度的方法，這意味著液體中 H+ 陽離子的值越大，標度上的數字就越小。
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，而每摩爾含有微量 H+ 陽離子的液體（例如 0.0000000001 個 H+ 陽離子）將具有較高的 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在這個標度上約為 13.5 pH，而醋約為 3 pH。極低和極高的 pH 值很容易分解蛋白質，因為 H+ 陽離子或 OH− 陰離子過多。這些標度兩端的液體具有很強的腐蝕性和危險性，包括液體排水管清潔劑（pH 值很高）和電池酸（pH 值很低）。瞭解 pH 值對於瞭解地球上的水非常重要，因為水是一種強溶劑，會破壞離子鍵，形成含有不同數量的 H+ 陽離子或 OH− 陰離子的水混合物。這對於瞭解地球上的雨水、地下水、河流、湖泊和海洋的化學性質尤其重要。
| 上一頁 | 當前頁 | 下一頁 |
|---|---|---|