水的组成与净化

水，作为地球表面分布最广泛的物质，不仅构成江河、湖泊、海洋与大气，更是所有已知生命体的赖以生存的基础。人类的日常生活离不开水，从饮用、洗涤到农业灌溉、工业生产，无处不见水的身影。但是，看似纯净透明的一杯水，背后却蕴藏着许多化学奥秘。我们也许知道水能够浇花、解渴，却未必了解它的真实化学组成。

水究竟由什么元素组成？分子的结构又如何？为何大自然中获取的水无法直接饮用，其中可能混杂着哪些杂质？为保障健康，我们要通过哪些方式净化水，使其变得纯净和安全？理解水的组成和净化过程，不仅能解开水的化学之谜，也能帮助我们科学合理地利用和保护水资源。接下来，这些重要又有趣的问题都将在本讲中一一揭晓。

水的物理性质

生活中随处可见水的身影：江河湖泊里流动的液体，天空中飘落的雨水，冰箱里冻成的冰块，水壶沸腾时冒出的白雾。这些现象背后，体现的正是水在不同温度下呈现的三种状态。

水在常温常压下是一种无色、无气味的液体，尝起来既无甜味也无咸味，是真正的“无色无味”。水的密度约为 $1\ \text{g/cm}^3$，在 $4°C$ 时密度最大。将水冷却到 $0°C$，它会凝固成冰；加热到 $100°C$（标准大气压下），则沸腾变为水蒸气。

水结冰后，体积会略微膨胀，密度反而比液态水小（约 $0.917\ \text{g/cm}^3$），所以冰会浮在水面上。这个特性对自然界极为重要——冬天湖面结冰后，冰层浮在上方，隔绝了寒冷，使湖底水温维持在 $4°C$ 左右，水中生物得以越冬存活。

水的组成——电解水实验

水是由什么元素组成的？仅凭观察外观无法判断。化学家通过“电解水”这一实验，揭示了水的组成。

实验装置与步骤

将水（加入少量硫酸钠或氢氧化钠以增强导电性）注入电解槽，接通直流电。不久后，两根电极上方分别产生气泡，气体在两支试管中向上收集。持续通电一段时间后，观察到两支试管中气体体积的比例。

实验结果非常清晰：负极收集到的气体体积约是正极的两倍，且负极气体是氢气、正极气体是氧气。这说明水在通电分解后，产生了氢气和氧气两种物质，体积比约为 $2:1$。

电解水的化学方程式为：

$2H_2O \xrightarrow{\text{通电}} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$

由于氢气和氧气的摩尔质量不同，质量比并非 $2:1$，而是：

$m(H_2) : m(O_2) = (2 \times 2) : (1 \times 32) = 4 : 32 = 1 : 8$

例题

电解一定量的水，在正极收集到 $8\ \text{g}$ 氧气。求此过程中负极收集到的氢气质量，以及参与反应的水的质量。

（相对原子质量：$H = 1$，$O = 16$）

解：根据化学方程式：

$2H_2O \xrightarrow{\text{通电}} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$

各物质相对分子质量：$H_2O$ 为 18，$H_2$ 为 2，$O_2$ 为 32。

设负极收集到氢气质量为 $x$，参与反应的水的质量为 $y$：

$\frac{x}{2 \times 2} = \frac{8\ \text{g}}{32}$

$x = \frac{8 \times 4}{32} = 1\ \text{g}$

$\frac{y}{2 \times 18} = \frac{8\ \text{g}}{32}$

$y = \frac{8 \times 36}{32} = 9\ \text{g}$

验证（质量守恒定律）：$9\ \text{g} = 1\ \text{g} + 8\ \text{g}$ ✓

答：负极收集到氢气 $1\ \text{g}$，参与反应的水为 $9\ \text{g}$。

水的合成——氢气的燃烧

电解水得到了氢气和氧气，那如果让氢气在氧气中燃烧，又会得到什么呢？

将纯净的氢气点燃，氢气在空气中安静地燃烧，火焰呈淡蓝色，几乎看不出颜色，热量不大。将一个干燥的烧杯倒置于火焰上方，不一会儿烧杯内壁出现白雾，随后凝结成水珠。这就证明：氢气燃烧后的产物正是水。

氢气在氧气中燃烧的化学方程式为：

$2H_2 + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2H_2O$

这个反应恰好是电解水的“逆过程”。电解水是将电能转化为化学能，把水分解；氢气燃烧是将化学能转化为热能和光能，将氢气和氧气重新合成水。

天然水与净化的必要性

自然界中的水，无论是河水、井水还是湖水，都不是纯净的水，而是含有多种物质的混合物。河水中可能悬浮着泥沙、藻类等固体颗粒；地下水溶有钙、镁等矿物质；工业区的水源甚至可能含有重金属离子和有机污染物。因此，天然水在饮用前必须经过净化处理。

水中的杂质大体上可以分为两类：一类是不溶于水的固体颗粒（如泥沙），可以通过物理方法去除；另一类是溶解在水中的物质（如矿物质、污染物），需要更复杂的处理方法。

净化水的主要方法

针对不同类型的杂质，化学上常用以下几种方法对水进行净化，难度和效果逐步递增。

例题

某同学取一杯浑浊的河水，依次进行以下操作：① 加入明矾搅拌后静置；② 过滤；③ 通过活性炭层。操作完成后得到了无色无味的液体。请问：这杯液体是纯净水还是混合物？若要得到纯净水，还需要进行哪一步操作？

解：经过上述三步处理后，河水中的泥沙等不溶性杂质已被去除，有色有味物质也已被活性炭吸附，但水中仍溶有钙盐、镁盐等矿物质，因此这杯液体仍然是混合物，不是纯净水。

要得到纯净的蒸馏水，还需要进行蒸馏操作，将水加热至沸腾收集冷凝后的水蒸气，即可得到纯净水。

硬水与软水

日常生活中，用水壶烧水时间长了，壶底和壶壁会出现白色水垢；用某些地方的水洗衣服，肥皂泡沫很少，衣服也洗不干净——这些现象，都与水的“硬度”有关。

含有较多可溶性钙盐（如 $CaCO_3$，$Ca(HCO_3)_2$）和镁盐（如 ）的水，称为“硬水”；含有上述矿物质极少或几乎不含的水，称为“软水”。

烧开水时，硬水中的碳酸氢钙在加热后会分解：

$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{\Delta} CaCO_3\downarrow + H_2O + CO_2\uparrow$

生成的碳酸钙（$CaCO_3$）不溶于水，沉积在壶底，日积月累便形成了水垢。这也说明，“煮沸”是软化硬水（去除部分硬度）的有效方法之一。

区分硬水与软水的方法

取适量水样，分别加入等量的肥皂水（硬脂酸钠），充分振荡，观察现象。

• 软水：加入肥皂水后，泡沫丰富，液面产生大量白色泡沫。
• 硬水：加入肥皂水后，泡沫稀少，液面出现白色浮渣（硬脂酸钙沉淀）。

硬水中的钙、镁离子会与肥皂中的硬脂酸根离子结合，生成不溶于水的硬脂酸钙或硬脂酸镁沉淀，导致泡沫减少，这就是硬水“费肥皂”的原因。

软化硬水的方法

常见软化硬水的方法有：

1. 煮沸法

   • 适用场景：日常生活用水
   • 说明：去除暂时硬度（使碳酸氢盐分解并沉淀），简便易行。

2. 蒸馏法

   • 适用场景：实验室、工业高纯用水
   • 说明：能彻底去除所有可溶性盐类，但设备复杂、耗能大。

3. 离子交换法

   • 适用场景：工业软化水
   • 说明：用离子交换树脂将钙、镁离子替换成钠离子，适合大规模生产。

练习题

选择题

题目一（知识点：电解水实验）

电解水实验中，关于两极产生气体的说法，正确的是（　　）

A. 正极产生氢气，负极产生氧气，体积比约为 $2:1$

B. 负极产生氢气，正极产生氧气，体积比约为 $2:1$

C. 正极产生氢气，负极产生氧气，质量比约为 $1:8$

D. 负极产生氧气，正极产生氢气，体积比约为 $1:2$

题目二（知识点：水的净化方法）

下列水的净化方法中，净化程度最高、能得到最纯净水的是（　　）

A. 静置沉降后取上层清液

B. 用活性炭过滤

C. 加入明矾搅拌后过滤

D. 蒸馏

题目三（知识点：硬水与软水）

区分硬水和软水，最简便的方法是（　　）

A. 观察水的颜色是否透明

B. 加入食盐溶液观察是否产生沉淀

C. 加入肥皂水振荡，观察泡沫多少

D. 测量水的沸点是否为 $100°C$

题目四（知识点：水的组成与性质）

下列关于水的说法，正确的是（　　）

A. 电解水时，正负两极产生气体的质量比约为 $1:2$

B. 水是由氢气和氧气组成的

C. 氢气在氧气中燃烧，生成物只有水，这说明水中含有氢元素和氧元素

D. 蒸馏水是纯净物，加热沸腾后不会留下任何固体残渣，因此可以长期饮用

计算题

题目五（知识点：根据电解水方程式计算质量）

用直流电电解水，在负极收集到 $0.4\ \text{g}$ 氢气。计算：正极同时收集到的氧气质量是多少？共有多少克水参与了反应？

（相对原子质量：$H = 1$，$O = 16$）

题目六（知识点：根据氢气燃烧方程式计算质量）

将一定量纯净的氢气在足量氧气中完全燃烧，生成了 $18\ \text{g}$ 水。计算：参与燃烧的氢气质量是多少？消耗的氧气质量是多少？

（相对原子质量：$H = 1$，$O = 16$）

各物质的相对分子质量：$H_2O$ 为 $18$，$H_2$ 为 $2$，$O_2$ 为 $32$。

方程式中各物质质量之比：

$2H_2O : 2H_2 : O_2 = 36 : 4 : 32 = 9 : 1 : 8$

设正极收集到氧气质量为 $x$，参与反应的水的质量为 $y$：

$\frac{0.4\ \text{g}}{1} = \frac{x}{8} = \frac{y}{9}$

由第一、二项得：

$x = 0.4 \times 8 = 3.2\ \text{g}$

由第一、三项得：

$y = 0.4 \times 9 = 3.6\ \text{g}$

验证（质量守恒定律）：$3.6\ \text{g} = 0.4\ \text{g} + 3.2\ \text{g}$ ✓

答：正极收集到氧气 $3.2\ \text{g}$，参与反应的水共 $3.6\ \text{g}$。

各物质的相对分子质量：$H_2$ 为 $2$，$O_2$ 为 $32$，$H_2O$ 为 $18$。

方程式中各物质质量之比：

$2H_2 : O_2 : 2H_2O = 4 : 32 : 36 = 1 : 8 : 9$

设参与燃烧的氢气质量为 $x$，消耗的氧气质量为 $y$：

$\frac{x}{4} = \frac{y}{32} = \frac{18\ \text{g}}{36}$

由第三项得公比值为 $\dfrac{18}{36} = \dfrac{1}{2}$：

$x = 4 \times \frac{1}{2} = 2\ \text{g}$

$y = 32 \times \frac{1}{2} = 16\ \text{g}$

验证（质量守恒定律）：$2\ \text{g} + 16\ \text{g} = 18\ \text{g}$ ✓

答：参与燃烧的氢气为 $2\ \text{g}$，消耗的氧气为 $16\ \text{g}$。