地球上水的性质与水资源

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1、第一章地球上水的性质与水资源§1.1　水的物理性质§水的物理性质：指水的力、热、电、光等性质。§水具有不同于一般物质的物理性质，这些异常的物理性质使水在自然界中和生物体内，表现出某些独特的效应与作用。一、水的形态（三相）及其转化P7－9地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在，在常温条件下三相可以互相转化。（一）水分子的结构P7u每个水分子（H2O）都是由一个氧原子和二个氢原子组成（P7图1－1）。水分子的键角∠HOH为104°31´，O—H键的键长为0.9568Å，形成等腰三角形。由于氧原子对电子的吸引力比氢原子大得多，所以在水分子内部，

2、电子就比较靠近氧原子。这样，电子就有在氧原子周围相对集中的趋势，形成较浓厚的电子云，掩盖了原子核的正电核。所以，在氧原子一端显示出较强的负电荷作用，形成负极；相反，在氢原子周围，电子云相对稀薄，于是显示出原子核的正电核作用，形成正极，使水分子具有极性结构。u由于水分子具有极性，在自然界，水不完全是单水分子H2O，而更多的情况下是水分子的聚合体。水分子聚合体包括：单水分子（H2O）、双水分子（H2O）2、三水分子（H2O）3，见P7图1—2。u设想：CO2的键角∠OCO为180°，是对称的，则不是极性分子。设想水分子的键角∠HOH为180°对

3、称情形？（二）水的三态及其转化P8－9§在一个标准大气压下，纯水0℃为冰点，100℃为沸点。0℃以下为固体，0—100℃为液体，100℃以上为气体。但在地球上的常温条件下，水的三态（气态、液态、固态）可以相互转化。1.水的三态与水温§随着水温的变化，三态水分子的聚合体也在不断的变化。从表1－1可见：1）随着水温的升高，水分子聚合体不断地减少，而单水分子不断地增多。当温度高于100℃呈气态时，水主要由单水分子组成。2）随着温度的降低，水分子聚合体不断增多，单水分子不断减少。水温达到0℃结冰时，单水分子为零，而强力缔合结构的三水分子增多，因三水

4、分子结构特性，使液态水变成固态冰时，体积膨胀10％，若冰变成液态水时，体积减小10％。3）水温在3.98℃时，结合紧密的二水分子最多，所以此时水的密度最大，比重为1。2、水的三态转化§水从液态转化为气态称为蒸发（汽化），而从气态转化为液态叫做凝结（液化）；从液态转化为固态称为结冰（凝固），而从固态转化为液态叫做融解（融化）；从固态转化为气态称为升华，而从气态转化为固态叫做凝化。§水的相态变化取决于温度和压力，水的各态变化的三相图：横坐标代表温度t，纵坐标代表压力P。升华曲线OC是固、气两相的分界线；气化曲线OB是液、气两相的分界线；融解曲线

5、OA是固、液两相的分界线；O点为三相点，即当温度为0.01℃，压力为614.6Pa（4.58mmHg）时，冰、水和水汽三相共处于平衡状态中。在高空的水汽，当压力、温度低于三相点温度、压力时，可以直接凝化为固态的冰晶，形成雪花；当压力、温度如高于三相点温度、压力时，水汽可转变为液态的水滴，形成雾和雨。§水的三相圖§(1)三相點：在真空容器中，純質的液相、固相、氣相以平衡狀態同時存在的溫度與壓力稱之。O点为三相点，即当温度为0.01℃，压力为614.6Pa（4.58mmHg）时，冰、水和水汽三相共处于平衡状态中。§(2)臨界點（cr

6、iticalpoint）之溫度為臨界溫度，壓力為臨界壓力。§①臨界溫度：加壓力使氣體液化之最高溫度稱為臨界溫度。如水之臨界溫度為374℃，若溫度高於374℃，則不可能加壓使水蒸氣液化§②臨界壓力：在臨界溫度時，加壓力使氣體液化的最小壓力稱之。臨界壓力等於該液體在臨界溫度之飽和蒸氣壓。§(3)水相圖與CO2相圖之比較§①水相圖之OA線段向左傾斜，此乃因冰熔化時體積縮小，故加壓使熔點降低；而CO2(s)<乾冰>熔化時體積脹大，故加壓可使熔點升高。§②水之三相點壓力(4.58mmHg)小於1atm(常壓)，CO2的三相點壓力大於1atm，故在常壓

7、下，冰可先熔化成水，乾冰卻可直接昇華。二、水的热学性质P9－10§水变成水汽或冰融成水都要吸收热量。相反，水汽凝结和水结成冰都要放出热量，而且吸收或放出的热量是相等的。这种吸收或放出的热量称为水的潜热。水在0℃直接蒸发，其蒸发潜热为2500J/g；在100℃时，汽化潜热为2257J/g；冰在0℃时，融解潜热为1401J/g；冰直接升华潜热为1401+2500=3901J/g。§水的热容量（或比热）、融解热和蒸发热都比其他物质大。§其原因是水分子的异常结构。水分子结构的突出特点是具有极性和生成氢键的能力，使水分子相互间的作用力即内聚力大增强。

8、水在温度变化和三态转化过程中，不仅要克服分子间的范德华作用力，而且还要克服氢键的束缚，分解双水分子和三水分子聚合体，因此需要较多的热量。§水的热容量与潜热特性，对整个地球上的热量