苏教2003课标版《第一单元水的净化与污水处理》优质课教案下载

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对任何生命体而言，水是必要的生存条件，没有水，人的存活时间将不到一周！儿童身体中大约75%是水，成年人50%—65%。人的大脑中由75%是水，而血液和肺分别是83%，近90%，甚至那些看起来非常坚硬的骨骼其中22%也是水。

水对生命而言是如此重要，以至于人们判断宇宙中存在生命迹象与否的首要标准就是有没有水，水是我们生命的源泉，它主宰着气候的变迁，同时也给我们带来美，带来轻松的愉悦。

5.5 （P202）

“水从未失去其神秘性！经过至少2500年的哲学与科学探究，世界上这一最为生死攸关的物质周围依然有着太多的疑问！无需过多华丽的词藻，我们可以将这些问题归结为一个本质性的问题：水到底是什么？”

很清楚，水对我们的生命至关重要，而且水也是一种优良的溶剂。或许不太清楚的地方是我们对水的依赖性可能仅仅是因为水具有许多非凡的性质。事实上，水的物理性质是相当独特的，也幸亏是这样！如果水只是一种更为普通的化合物，我们将会变得与现在完全不一样！

这种最常见的液体充斥着许多令人惊奇的地方。至少它的物理状态就是其中之一。在常温（25℃）及常压下，水是液体而不是气体，这一点就足以令人惊奇！因为其他具有与水近似摩尔质量的几乎任何化合物在类似的温度和压强条件下，都是气体。想想大气中常见的三种气体（N2、O2、CO2），它们的摩尔质量均大于水，然而它们却是供人呼吸的气体，而不是供人饮用的液体。另外，水的沸点也高得反常（100℃）；当水结成冰时，它展现出的却是另一种有点异乎寻常的性质——膨胀，而大多数液体固化时却是收缩，水的这些及其他反常的性质均归咎于它的化学组成及分子结构。

水分子中的共价键形成于氧原子和氢原子的共用电子，但两种原子对电子的共享程度是不同的，它们是极性共价键，由水分子的结构示意图，可看出氢原子带部分正电荷，而部分负电荷则聚集在氧原子上，水的独特性质大多是由每个分子内键的极性以及整个水分子的空间构型而引起的。

氢键的角色

试想一下当两个水分子相互靠近时，在分子层面上会发生什么现象？因异性相吸，水分子中带部分正电荷的氢原子将被其他水分子中未成键电子对相关的部分负电荷区所吸引，这就是分子间力，即发生在分子之间的作用力。每个水分子包含两个氢原子和两组未成键电子对，大大增加了分子间相互吸引的机会（图5.8），形成了氢键，这是一种存在于相邻分子间，带异性部分电荷原子间的静电吸引力。典型的氢键强度大约只有共价键强度的1/10，键长也相对较长，氢键的形成对水的非凡性质有着举足轻重的意义。

虽然氢键强度不如共价键那样强，但与其他类型的分子间作用力相比，其强度依然很大。比如要使水沸腾，必须将水分子从分子间彼此接触相对紧密的液相中分离出来，进入分子间距离更远的气相，换句话说，必须打破分子间的氢键！若水的氢键较弱，水的沸点将会低很多，因而也只需较少的能量即可使水沸腾。如果水没有氢键，依据摩尔质量，预期水应该大约在—75℃沸腾！如果这成为可能，那将会使生命体非常不适。因为氢键，我们身体中几乎所有的水，不管是在细胞中、血液里还是其他液体当中，由于均处于沸点之下，因而都是呈液体状态，甚至我们自身的存在也依赖于氢键，没有它我们将会是一种气体。

氢键现象并不只局限于水，有证据表明许多含有与氧、氮或氟原子共价键合的氢原子的分子，其分子间都存在着类似的吸引力。在上述每一种情形下，每一个分子内都由极性共价键形成，这是形成分子间氢键的必要条件。氢键在稳定生物大分子（如蛋白质和核酸）的形态方面起着重要作用。对于作为皮肤、毛发和肌肉等主要成分的蛋白质，氢键则发生于氢原子和氧或氮原子之间。DNA（脱氧核糖核酸）盘绕的双螺旋结构因数千个形成于DNA链特定片段间的氢键而保持稳定。因此从这方面讲，氢键对生命过程也起着至关重要的作用！

氢键也可以解释为什么冰块和冰山可以在水上漂浮。冰是呈规则排列的水分子，其中每个水分子与其他4个水分子以氢键结合。冰的排列方式，注意该排列方式包括大量呈六边形通道的空间。冰融化时，这种有规则的排列开始被破坏，单个的H2O分子就可以进入这些空的通道，结果液态分子平均起来要比固态分子堆积得更为紧密。因此，1立方厘米体积的液态H2O比1cm3的冰要包含更多的水分子，从而每立方厘米的液体水的质量就要比冰大，即水的密度比冰大。

对于绝大多数物质来说，固态的密度要高于液态，而水却表现出与此相反的行为，这导致湖水结冰时从上至下，而不是从湖底开始。水的这种反常行为给水生植物、鱼类以及滑冰爱好者带来了便利。另一方面，它也给人们带来了不便，如水因结冰而膨胀，从而导致水管和汽车散热器破裂等等。

水的另一种不同寻常的性质，是它及其罕见的吸热、放热能力，它是已知液体中比热最高的物质之一，正因如此，水是一种特别优异的冷却液，广泛用在化学工业、发电厂及人体中排除余热，大多数其他化合物的比热则要低很多。

从全球的尺度来考量，水的这种高比热对全球气候有决定作用。海洋及云中水滴吸收的巨大的热量有助于缓解全球变暖。我们知道海洋、河流和湖泊中的水蒸发时会吸收热量，水凝结成雨或雪时会放出热量。水的这种在固、液和气 不同状态之间的变换形成了一个巨大的热机，有助于引起短期的天气变化并对长期气候有所调节。但是，若水的物理状态不发生改变，等质量的液态水将比地面吸收更多的能量，这是因为水的蓄热能力比岩石和泥土更强。因此，天气转冷时，地面蓄热能力比水差，因而会损失更多的能量，从而冷的更快。水因为能够保留较多的热量而为周边区域提供了更好的保暖效果。对于那些在冷天跳入相对暖和的湖泊或池塘的人来说，他们对水的这一性质应更加熟悉。

二 水作为溶剂：近距离观察

我们之所以需要水的一个主要原因就在于水是一种优良溶剂，它对构成人体的许多化合物及其他各种各样的物质都有良好的溶解性，有相当多的物质能溶于水，这对于生命体以及环境均有非常重要的意义，如：水作为溶剂的几个例子：

血浆是一种含多种维系生命物的水溶液

吸入肺中的氧溶于血浆，便于O2与血红蛋白结合

血浆传载溶解的CO2至肺，肺再将CO2呼出

血浆将营养物传送给所有的细胞与器官

水通过将废物运走以帮助人体维持化学平衡环境中

水可以将有毒物质传入和传出生命体，也可以将有毒物质在生命体之间进行传送

水溶性的有毒物，如一些杀虫剂、铅离子和汞离子，分布很广

水可以通过将污染物稀释或运（或二者都有）来降低污染物浓度至安全水平