水資源網路特展

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地表上唯一三態並存的物質

   水是自然界中數量最多的液體,也是地表上唯一三態並存的物質,它們是固態的冰、液態的水和氣態的水氣。水還有許多特殊的性質,它可以說是我們所熟悉的所有單一化合物中,物理化學性質最複雜的一種物質,例如它的沸點、黏稠度、表面張力、氣化熱等性質都異常的高;更特別的是,當大部分物質因為溫度降低而冷凍收縮使密度變大時,水冷凍時體積反而擴張而使密度變小。水的這些特殊的性質源自於它的分子結構,水是由兩個氫原子和一個氧原子所構成,這三個原子並不在一條直線上,而是以氧原子為中心,形成一個鍵角約為105°的三角形排列,在相對於兩個氫原子的相反方向,存在著兩個帶負電的電子雲,它們會吸引鄰近水分子的氫核,形成所謂的氫鍵,這就是水表現出特殊性質的關鍵所在。

  氣態的水分子大體上是彼此獨立的,除了碰撞外,它們之間的相互作用很微弱。固態的水分子則彼此強烈地結合,形成一個井然有序的陣列結構,當水結冰時,一個水分子會將鄰近的四個分子吸引在自己的周圍,形成六角環疊層式的晶格陣列。一般的流體,分子是彼此獨立而無規則地運動著;但是水會因為氫鍵而使水分子彼此緊密地連結在一起,而保有部分冰的晶格,使水顯現出截然不同的性質,雖然水的化學式是H2O,但是比較正確的寫法應該是(H2O)n,其中n是水分子中因為氫鍵而連結成團塊的平均分子數。不然若按硫化氫 (H2S) 的性質類推,水在室溫下應該是氣體,而不是液體。

  水結冰時,水分子會形成六角形的結構,再層層相疊而成冰晶,這個特性使水成為少數固態密度比液態密度小的物質之一,也使冰能浮在水面上。這個特性對生物很重要,因為如果水和大多數物質一樣,固態的密度比液態的密度大的話,那冬天時將會使河底、湖底和海底先結冰,結果將使底棲的生物無法生存。我們都知道地球上早期的生命起源於海洋,如果冰不能漂浮在水面上,地球即使有生命也無法安然度過冰期。由此可見,水的特異性對地球上生物影響的重要性。

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