（一）水
滚滚长江东逝水，浪花淘尽英雄。------杨慎(明)
1.化学式：H2O
1.1水：
①固体密度小于液体密度→生命的摇篮，文明的血脉（古埃及文明--尼罗河；两河文明--底格里斯河幼发拉河；古印度文明--印度河；中华古文明--黄河流域）
②高溶解能力（上善若水厚德载物）
③三态变化
④高热容性
⑤较大表面张力
⑥水循环、水的蒸发
⑦人体营养素之一,生物体内含量最高的物质
⑧降水（雪雨雾冰雹等等）
⑨水的更新
⑩米勒实验
1.2我们的文化与水
①冰冻三尺，非一日之寒（三国蜀汉昭烈帝刘备：勿以善小而不为，勿以恶小而为之）→积少成多→坚持不懈积极进取←不断积累的小错误也能造成大失败
②不积小流无以成江海（战国荀子《劝学篇》：不积跬步无以至千里，不积小流无以成江海）→敞开胸怀，谦虚坚持开放进取←海纳百川
③智者乐水仁者乐山（孔子《论语》：智者乐水，仁者乐山）→智慧高尚
④流水不腐户枢不蠹（《吕氏春秋》：流水不腐，户枢不蠹；南宋朱熹《观书有感》：问渠那得清如许，为有源头活水来）→运动的事物最具生命力←吐故纳新
⑤水能载舟，亦能覆舟（战国荀子《王制篇》：庶人安政，然后君子安位。传曰：君者，舟也；庶人者，水也；水则载舟，水则覆舟。）
⑥上善若水，厚德载物（春秋《老子》：上善若水，水善利万物而不争，处众人之所恶，故几于道。《易经》：天行健君子以自强不息，地势坤君子以厚德载物）→我们伟大民族精神→无所不包，承载万物→造福世间万物
为了进一步研究离子水合物的动力学输运性质，中科院院士、北京大学讲席教授、中国科学院大学卡维里研究所名誉所长王恩哥利用带电的针尖作为电极，观察单个水合钠离子在氯化钠衬底上的运输情况。这时候，一种奇特的现象出现了。“我们发现，含有3个水分子的离子水合物，像装上了轮子一样‘跑’的特别快。”江颖告诉《中国科学报》记者，这种包含有特定数目水分子的钠离子水合物具有异常高扩散能力的现象，也即：“幻数效应”。研究人员发现，这种幻数效应来源于离子水合物与表面晶格的对称性匹配程度，可以在很大一个温度范围内存在（包括室温）。此外，他们还发现这种动力学幻数效应具有一定的普适性，适用于相当一部分盐离子体系。
图1：
图2：
图1为钠离子水合物的亚分子级分辨成像。从左至右，依次为五种离子水合物的原子结构图、扫描隧道显微镜图、原子力显微镜图和原子力成像模拟图。图像尺寸：1.5nm×1.5nm。图2为一般情况下水溶解氯化钠固体时模拟示意图。
上图为钠离子水合物在NaCl表面输运的幻数效应。参照图1：a，第一性原理计算得到的不同离子水合物扩散的势垒；b，第一性原理计算得到的含有三个水分子的钠离子水合物的扩散过程；c，分子动力学模拟得到的不同离子水合物在K-K下1ns时间内扩散的均方位移。
1.4米勒实验：米勒模拟实验(Miller–Ureyexperiment)一种模拟在原始地球还原性大气中进行雷鸣闪电能产生有机物(特别是氨基酸)，以论证生命起源的化学进化过程的实验。年由美国芝加哥大学研究生米勒(S.L.Miller)在其导师尤利(H.C.Urey)指导下完成。
米勒实验示意图（模拟地球形成初期自然环境）：
实验设计原理：
（1）远离太阳、历史上可能变化较小的巨行星(如木星和土星等)，它们的大气都是没有游离氧(O2)的还原性大气，其主要成分是氢(H2)、氦(He)、甲烷(CH4)和氨(NH3);由此推测原始地球的大气。
（2）据测定，能作用于地球大气层的能源，主要是太阳辐射中的紫外线、雷电和宇宙射线等。其中宇宙射线不足以合成有机物，还原性气体仅吸收短波紫外线，但短波紫外线(波长埃)在太阳辐射紫外线中仅占极微量，可作有机合成能源的量极少;而每年雷电次数较多，可作有机合成的能量较大，又在靠近海洋表面处释放，这样在原始地球还原性大气中合成的产物就很容易溶于原始海洋之中。
实验结果：此实验共生成20种有机物。
其中11种氨基酸中有4种(即甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸)是生物的蛋白质所含有的。米勒又设想原始地球还原性大气的成分是CH4、N2、微量的NH3和H2O的混合气体更为合理，因为NH3不可能在大气中大量存在，它会溶于海水中。于年在上述混合气体中进行火花放电，结果得到35种有机物，其中有10种组成蛋白质的氨基酸。若在分析之前进行水解，还可生成天冬酰胺和谷氨酰胺。若增加H2S，则可生成甲硫氨酸。在CH4、NH3、H2O和H2S混合气体中进行光解作用，可以找到半胱氨酸。对CH4及其它碳氢化合物在高温下进行热解，可以得到苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。到目前为止，用米勒模拟实验和其它类似实验，已能合成出20种天然氨基酸中的17种。
由此实验可以证明:由无机物合成小分子有机物是完全有可能的。下图为假想的氨基酸链接成大分子有机物环境及原理图：
1.7净水的方法、原理、作用及易丢分点：
方法
原理
作用
沉淀
利用明矾溶于水后生成的胶状物将杂质吸附，并沉淀下来
除去较大颗粒不溶性杂质
过滤
把液体与不溶于液体的固体分离
除去液体中不溶性杂质或用于固液混合物的分离提纯
吸附
利用木炭（或活性炭）的吸附性，把天然水中的色素和异味除去
除去不溶性杂质和部分可溶性杂质
消毒
投入消毒剂
除去微生物和细菌
蒸馏
利用液体中各组分的沸点不同进行分离
除去不溶性杂质和可溶性杂质
有关净水措施的三个失分点：
（1）过滤只能除去水中的难溶性的固体杂质，不能除去可溶性杂质，故过滤得到的清澈的水仍含有可溶性的杂质，属于混合物。
（2）吸附可以吸附掉难溶性杂质和部分可溶性杂质，不会降低水的硬度。
（3）蒸馏所得的蒸馏水中几乎不含杂质，是软水，属于纯净物。
1.8水的网络图
1.9水分子结构研究（北大校友网-01-15）
北京大学科学家在世界上首次拍到水分子的内部结构，并揭示了单个水分子和四分子水团簇的空间姿态。这一成果发表在最近一期的《自然-材料》杂志上。
我国科学家在世界上首次拍到水分子的内部结构。上图显示了水分子在氯化钠表面上的排列方式和单个水分子、四分子水团簇的内部结构。
水分子是地球表面上最多的分子，其内部结构非常基本，但是又具有很多奇妙的化学性质。水作为良好的溶剂为生命存在提供了基本条件，其独特的氢键结构也一直让科学家难以解释。
北京大学量子材料中心、量子物质科学协同创新中心江颖课题组与王恩哥课题组合作，在水科学领域取得重大突破，在国际上首次实现了水分子的亚分子级分辨成像，使在实空间中直接解析水的氢键网络构型成为可能。相关研究成果于1月5日以Article的形式在线发表在《自然-材料》[NatureMaterialsDIO:10./nmat]。江颖和王恩哥是文章的共同通讯作者，博士研究生郭静、孟祥志和陈基是文章的共同第一作者，物理学院的李新征研究员和量子材料中心的施均仁教授在理论方面提供了重要的支持和帮助。这项工作得到了国家基金委、科技部、教育部和北京大学的资助。
水的各种奇特物理和化学性质与水分子之间的氢键相互作用紧密相关，如何在分子水平上确定水的氢键网络构型是水科学领域的关键科学问题之一。由于氢键的形成主要源于氢原子和氧原子之间的静电作用力(O-H…O)，要精确描述水的氢键构型，不仅需要判定氧原子的位置，还必须能识别氢原子的位置，也就是要求能在亚分子级水平上探测水分子在空间中的取向。然而，由于氢原子的质量和尺寸都非常小，对水分子进行亚分子级分辨成像极具挑战性。
北京大学谱学和高分辨率探测实验室负责人江颖介绍，水分子的直径只有一根头发的百万分之一，而且流动性非常强，拍照的第一个难题就是给它选择一个合适的背景。而要想用电子显微镜拍照，这个背景还得能导电才行。以前科学家用金属作为衬底，曾经观测到模糊的水分子外形，没有任何的内部结构。这次我国科学家选取氯化钠（NaCl）薄膜作为背景，将水分子吸附在盐表面进行观察，捕捉到水分子更清晰的面貌。
单个水分子的内部结构图像。图中花瓣部分是水分子的电子云，中间的暗缝是水分子内部化学键。
过去三年，江颖课题组主要致力于超高分辨的扫描探针显微镜系统的研制和开发，深入到单分子的内部展开亚分子级分辨成像和操控研究，并取得了一系列研究进展：在亚纳米尺度对二维自旋晶格的近藤效应进行了实空间成像[Science,()]；探测到了单个萘酞菁分子内部不同振动模式的空间分布[J.Chem.Phys.,()]；对单个功能化分子内部的化学键实现了选择性操纵[NatureChemistry5,36()]。
在此基础上，江颖课题组与王恩哥课题组紧密配合，通过仔细的论证和探索，成功地把亚分子级分辨成像和操控技术应用到水科学领域，开创性地把扫描隧道显微镜的针尖作为顶栅极（topgate），以皮米的精度控制针尖与水分子的距离和耦合强度，调控水分子的轨道态密度在费米能级附近的分布，从而在NaCl()薄膜表面上获得了单个水分子和水团簇迄今为止最高分辨的轨道图像。这使得研究人员可以在实验中直接识别水分子的空间取向和水团簇氢键的两种不同方向性。结合第一性原理计算，研究人员发现以往报道的盐表面的水分子团簇都不是最稳定的构型，并提出了一种全新的四聚体吸附结构。
该工作不仅为水-盐相互作用的微观机制提供了新的物理图像，而且为分子间氢键相互作用的研究开辟了新的途径。另外，该工作所发展的实验技术还可进一步应用于原子尺度上的氢键动力学研究，比如质子传输、氢键的形成和断裂、振动弛豫等。
水分子在氯化钠表面上的结合方式。图g和图h显示，水分子是“站”在盐上的。
四个水分子构成的水团簇影像及其两种不同的方向性
注：本文链接： （3）；（4）；（5）；（6）。（7）若从微观及量的角度阐释全过程：。
参考答案：
（1）在化学反应中，分子可以分成原子，原子又重新组合成新的分子
（2）1个水分子是由2个氢原子和1个氧原子构成的
（3）原子是化学变化中的最小粒子
（4）水是由氢元素、氧元素组成的
（5）在化学反应中，元素的种类不变
（6）参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和
（7）在通电条件下，2个水分子破裂为2个氧原子和4个氢原子，2个氧原子、4个氢原子分别结合成1个氧分子和2个氢分子
典型例题7.某自来水厂用“源水”处理成自来水的流程如下图所示：
（1）加入活性炭的作用是；在乡村没有活性炭，常加入来净水。
（2）实验室中，静置、吸附、过滤、蒸馏等操作中可以降低水硬度的是。
（3）若该地区源水中含有较多的MgCl2，请写出在源水处理流程中加入CaO时有关化学方程式：①；
②。
参考答案：(1)吸附杂质明矾；(2)蒸馏(3)①CaO+H2O=Ca(OH)2②Ca(OH)2+MgCl2=Mg(OH)2↓+CaCl2
典型例题8：电解水的实验时，看到的现象是
A.两极出都有气体生成，正极出气多
B.正极出氧气，负极出氢气
C.可以看到体积比VH2：VO2=2：1
D.两极出都有气体生成，正极的玻璃管内汇集的气体可以使带火星的木条复然
解析：
A.两极都有气体生成，正极出气少，A错误；
B.正极产生氧气，负极产生氢气，但氧气和氢气是通过用带火星木条或燃着的木条进行验证得出的结论，并不是看到的现象，B错误；
C.氢气与氧气的体积比为2：1，是通过实验检验出正极是氧气，负极是氢气，通过示数才能读取体积比，只能看到负极与正极玻璃管内气体体积比2：1，并不能直接看到氢气与氧气的体积比是2：1，C错误；
D.两极都有气体生成，正极的玻璃管内汇集的气体是氧气，可以使带火星的木条复燃，这是看到的现象，正确；故选D
点评：记住电解水实验现象，明确现象与结论的关系是解答本题关键．
典型例题9：水在生活、生产中和化学实验中起着十分重要的作用。
Ⅰ．自来水厂净化水的过程为：取水→过滤→吸附→消毒，高铁酸钾（K2FeO4）能用作絮凝剂。
（1）制备K2FeO4的化学方程式为2Fe（OH）3+3Cl2+10KOH═2K2FeO4+6X+8H2O，则X的化学式为，K2FeO4中铁元素的化合价为；
（2）自来水厂净化水的过程（填“能”、“不能”）将硬水软化成软水。
Ⅱ．欲证明一瓶无色透明液体是纯净水，可靠的实验方法是
A．1.01×Pa时沸点为℃B．测得其pH=7C．电解时得到H2与O2的体积比为2：1
Ⅲ．请根据如图实验现象并结合溶解曲度线回答（其中甲、乙、丙均不含结晶水）
1）生石灰与水反应的化学方程式为，试管内所盛饱和溶液的溶质为对应溶解曲度线中的（填甲、乙、丙）
（2）如果要配制相同浓度的甲、乙饱和溶液，需要把温度控制在℃
（3）t3℃时，将甲、乙、丙的饱和溶液都降温到t1℃，溶液中溶质质量分数由小到大的顺序为．
解析：
Ⅰ．（1）由2Fe（OH）3+3Cl2+10KOH═2K2FeO4+6X+8H2O，根据质量守恒定律，化学反应前后原子的种类和数目不变，反应前Fe、O、H、Cl、K的原子个数分别是2、16、16、6、10；反应前Fe、O、H、Cl、K的原子个数分别是2、16、16、0、0，则6X中有6个K和6个Cl，则X的化学式为KCl；
因为钾元素显+1价，氧元素显﹣2价，则设铁元素的化合价是x，根据在化合物中正负化合价代数和为零，可得：（+1）×2+x+（﹣2）×4=0，则x=+6价。
（2）自来水厂净化水的过程不能将硬水软化成软水。
Ⅱ．A.纯水在常压下的沸点为℃，可通过测定沸点的方法证明是否为纯水，故正确；
B.强酸强碱盐的水溶液pH=7，不能确定是否为纯水，故错误；
C.电解活泼金属的含氧酸盐时，得到H2、O2，体积比为2：1，不能确定是否含有纯水，故错误；
Ⅲ．（1）生石灰与水反应生成氢氧化钙，反应的化学方程式为CaO+H2O═Ca（OH）2；石灰与水反应放热，溶液温度升高，有晶体析出，说明物质的溶解度随温度的升高而降低，故选丙；
（2）由于在t2℃时，甲、乙的溶解度相同，则如果要配制相同浓度的甲、乙饱和溶液，需要把温度控制在t2℃．
（3）由甲、乙、丙三种固体物质的溶解度曲线可知，甲、乙的溶解度随温度的升高而增大，丙的溶解度随温度的升高而减小，所以将t3℃甲、乙、丙的饱和溶液分别降温到t1℃，甲、乙析出晶体，溶质的质量分数减小，丙变为不饱和溶液，溶质质量分数与降温前相等，据饱和溶液中质量分数的计算式×%可知，t1℃时乙的溶解度大于甲的溶解度、大于t3℃时丙的溶解度，t1℃时甲的溶解度大于t3℃时丙的溶解度，所以此时所得溶液中溶质的质量分数由小到大的顺序是：丙＜甲＜乙．
参考答案：Ⅰ．（1）KCl；+6；（2）不能；Ⅱ．A；Ⅲ．（1）CaO+H2O═Ca（OH）2丙；（2）t2；
（3）丙＜甲＜乙．
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