知識收集站

（１０） 為什麼水只在４℃的時候密度最大？

　其他溫度呢？

水 名稱 溫度(C) 密度(g/cm3) 冰 0 0.9170 水 0 0.9999 4 1.0000 15 0.9991 25 0.9971 100 0.9583 一、水的性質：1.水是構成生命的主要物質之一，為無色、無臭、為味的液體。

2.水在1大氣壓時，凝固點為0C，沸點為100C。

3.水在4C時的體積最小，密度最大。

故將1atm、4C時水的密度定為1g/cm3。

4.水在固相或液相時，具有很高的比熱，能調節大氣的溫度，避免溫度變化過大。

5.水具有極高的汽化熱(539 cal/g)，可調節氣候，維持水溫和大氣間熱量與水蒸氣之轉換平衡。

6.水是一種很好的溶劑，可以溶解很多的物質，在生物體中擔任輸送營養和廢棄物的介質。

7.水的化學式為H2O，純水是一種非常弱的電解質，其解離反應式為：H2O H+(aq)+OH-(aq)25C時，純水中所含的氫離子和氫氧根離子的濃度為[H+]=[OH-]=10-7M8.水和金屬氧化物反應生成鹼性物質：K2O(s)+H2O(l) → 2KOH(aq)CaO(s)+H2O(l) → Ca(OH)2(aq)9.水和非金屬氧化物反應生成酸性物質：SO3(s)+H2O(l) → H2SO4(aq)P4O10(s)+H2O(l) → 4H3PO4(aq) 二、自然水及其處理法：1.存在於自然界未經處理的水，稱為自然水。

如海水、河水、湖水、泉水、地下水、雨水等。

2.雨水是淡水的主要來源。

在一般情形，雨水是自然淨化的水。

3.水的處理法：水的處理法一般分為水的淨化、消毒、軟化等三項。

(1)水的淨化：一般可分為沉澱、過濾、蒸餾等方法。

沉澱法：利用沉降作用，將含有懸浮物的水靜置，使懸浮物沉於池底而得澄清的水。

若懸浮物的顆粒太小，無法自然沉澱，可加入明礬等化合物，產生膠質沉澱物而與懸浮粒子一起沉降。

過濾法：將固體由流體中除去的一種有效方法。

水的淨化過程通常以小石子或細砂來代替濾紙，以除去殘留的懸浮物。

欲除去水中不良氣味，則可使用活性碳過濾，活性碳表面積很大，能吸附水中的有機物雜質。

蒸餾法：利用混合物中各成分的沸點不同，藉著蒸發、凝結和收集的過程，達到分離的目的。

(2)水的消毒：為了除去水中的細菌，可以使用氯氣(Cl2)或臭氧(O3)來消毒。

氯氣的濃度約到達0.2至1.0ppm(part per million，百萬分之一)便能殺死細菌。

臭氧使用後化學殘留物較少且能殺死更多的病原菌及病毒，但缺點是持續性較差。

(3)水的軟化：硬水：含有鈣或鎂等金屬離子的水，稱為硬水。

暫時硬水：硬水中，若成分為鈣或鎂的碳酸氫鹽(酸式碳酸鹽)，稱之。

可藉煮沸法產生不溶的碳酸鹽而除去：Ca(HCO3)2(aq) CaCO3(s)↓+CO2(g)+H2O(l)Mg(HCO3)2(aq) MgCO3(s)↓+CO2(g)+H2O(l)永久硬水：硬水中，若成分為鈣或鎂的硫酸鹽或氯化物，稱之。

硬水可使用石灰蘇打法或離子交換法來除去鈣或鎂。

石灰蘇打法：利用石灰(CaO)及蘇打(Na2CO3)來軟化硬水。

化學反應式如下：CaO(s)+H2O(l) → Ca(OH)2(aq)Mg2+(aq)+Ca(OH)2(aq) → Mg(OH)2(s)+Ca2+(aq)Ca2+(aq)+Na2CO3(aq) → CaCO3(s)+2Na+(aq)離子交換法：硬水通過含有鈉離子的沸石或樹脂的管柱時，會產生陽離子交換反應，二個鈉離子交換一個鈣(鎂)離子，而將鈣(鎂)離子留在管柱中。

下圖中為A型沸石，鋁原子、矽原子、氧原子鍵結在一起，成為一種巨大的陰離子，交換反應如下：Ca2+(aq)+2NaZ(s) → CaZ2(s)+2Na+(aq)式中，NaZ代表沸石，Z-代表巨大的陰離子的一部分。

當沸石使用一段時間後，管柱可用濃氯化鈉溶液清洗，以恢復原狀，此過程又稱為「再生」。

三、海水資源及其化學處理：1.海洋占地球表面的72%，海水的水量更高達地球總水量的97.2%。

離子種類 公克/公斤海水 體積莫耳濃度(M) Cl- 19.35 5.510-1 Na+ 10.76 4.710-1 SO42- 2.71 2.810-2 Mg2+ 1.29 5.410-2 Ca2+ 0.412 1.010-2 K+ 0.40 1.010-2 2.地殼上的礦物質不斷地經由河川流入海洋，但因沉降作用及海洋生物的消耗，使海水中各種離子的含量十分穩定。

海水中主要的物質含量如右表：3.海水蒸發時，各種溶鹽順序結晶而出，首先沉澱的是硫酸鈣(CaSO4)，之後是食鹽(NaCl)。

提取食鹽後餘下之濃鹽溶液稱為「苦滷」，可用以採收鎂化合物、鹵化物等。

4.由海水製氯法：電解熔融的食鹽時，陽極可得氯氣，陰極可得金屬鈉。

反應式如下：2NaCl(l) → 2Na(s)+Cl2(g)電解濃食鹽水時，陽極可得氯氣，陰極可得氫氣及氫氧化鈉。

反應式如下：2NaCl(aq)+2H2O(l) → Cl2(g)+H2(g)+2NaOH(aq)5.由海水製溴法：將濃縮的海水酸化後，通入氯氣，便可得溴。

2Br-(aq)+Cl2(g) → Br2(l)+2Cl-(aq)6.由海水提取鎂：利用沉降反應法，將氫氧化鈣加入海水取樣中，以產生氫氧化鎂沉澱，Mg2+(aq)+2OH-(aq) → Mg(OH)2(s)再加鹽酸與氫氧化鎂反應生成氯化鎂，Mg(OH)2(s)+2HCl(aq) → MgCl2(s)+2H2O(g)電解熔化的氯化鎂，即可得鎂。

MgCl2(s) → Mg(s)+Cl2(g)7.海水的淡化：從海水中除去Na+、Cl-等離子，而得淡水以供使用。

其方法有下列四種：凝固法：當一種電解質水溶液(如海水)慢慢凝固時，會得到純冰的晶體，餘下較濃的食鹽溶液，將純冰取出後熔化即得淡水。

蒸餾法：將海水煮沸，水蒸氣冷凝後可得純水。

下圖為一種簡單的太陽能蒸餾器。

逆滲透法：當淡水和鹽水中間以半透膜(此半透膜只能讓水分子通過，而不能讓食鹽分子透過)隔開，由於擴散作用，水分子會自動的由濃度較小的淡水擴散到濃度較大之鹽水中。

今若加壓於鹽水，強迫水分子由鹽水移到淡水，而達到海水淡化的目的。

如下圖所示。

離子交換法：利用離子交換法可得去離子水，使海水淡化。

四、自然水的污染及其防治：1.水污染的來源：未處理過的生活污水、農畜污水、工業廢水等。

2.水污染的害處：家庭污水含有需氧廢料，會降低河川的溶氧量。

洗滌水含清潔劑，會產生河、海泡沫污染。

農業上使用肥料及殺蟲劑，隨雨水流入河川或水庫。

3.污水中含有一些毒性較強的金屬及非金屬化合物：種 類 主 要 來 源 害 處 砷(As) 來源可由煤炭和石油產品燃燒，先構成空氣污染，再進入河川；或工業廢水放流至河川；亦可由磷酸鹽中的雜質及噴灑在果樹上的含砷農藥，經雨水沖洗累積在土壤表層。

引起腸胃病變及烏腳病等，甚至可能致癌。

鎘(Cd) 鎘的化學性質與鋅相似，廣泛使用在金屬表面處理。

電鍍工廠將廢液未經處理排放，造成嚴重的鎘污染。

高血壓、腎臟損傷、肌肉組織的破壞及痛痛病。

鉛(Pb) 汽油中所加的抗震劑「四乙基鉛」[(C2H5)4Pb]、油漆及陶瓷釉中的鉛溶解於水中。

腎臟和生殖功能的喪失及中樞神經的傷害。

汞(Hg) 汞齊法電解食鹽：通常使用汞為陰極，在陰極形成汞齊，在陽極產生氯氣。

汞也廣泛使用在農藥中。

引起水 病導致中毒或死亡。

其他無機離子 從事表面處理的工廠所排出的氰酸根離子(CN-)為極毒的物質；亞硝酸根離子(NO2-)和亞硫酸根離子(SO32-)等會改變水中進行的氧化還原反應。

影響生態平衡。

農藥 以前的殺蟲劑：「二氯二苯三氯乙烷」(DDT)；現在的殺蟲劑：巴拉松、卡巴落等。

DDT使多種生物體內發生病變，影響野生動物的繁殖能力。

現在的殺蟲劑在水中易被分解。

清潔劑 清潔劑是一種主要的水污染物，其主要成分為烷苯磺酸鹽，其通式如下：其中R代表烷基(CnH2n+1)，9≦n≦15。

R有「直鏈」與「分枝」兩種。

R為分枝的，不能被細菌分解，會長久存於自然界中，造成泡沫污染。

R為直鏈的，可以被水中細菌分解，較不會造成環境污染。

4.水污染之種類及量測方法：熱污染：因熱量排入河流、湖泊或海洋中，使水中自然生態破壞的污染。

優養化：因含氮、磷的物質排入水中，造成水中藻類及微生物快速繁殖生長，而耗盡水中的氧氣，造成水中生物死亡而發臭的現象。

重金屬污染：重金屬及其化合物排放於水中，所造成的污染。

生化需氧量(BOD)：微生物在污水中分解有機廢料所消耗氧的總量。

需氧量越多，污染越嚴重。

化學需氧量(COD)：以化學方法(一般是以二鉻酸鉀在酸性下)，去氧化污水中所有的廢料，所需要的氧量。

需氧量越多，污染越嚴重。

5.水污染的防制：預防方面：配合一套周延的法令與管制措施，修訂不合時宜的法令規章。

污染性工業：於設立或變更生產前，應嚴格審查水污染防治計畫，同時應要求定期申報廢(污)水處理情形。

家庭污水：應規畫長期性污水下水道發展計畫，以防治大量家庭污水污染環境。

畜牧污水：應依其規模大小分級管制。

配合畫定水資源保護區及水污染防治區，規範區內行為，尤其禁止污染負荷大的畜牧業及其他事業進駐。

污染源的減廢方面：應發展高科技低污染性的操作方法及原料，以降低污染產生量，並盡可能作到資源回收工作。

廢(污)水處理方面：一般廢(污)水處理包括三級。

第一級：主要以過濾的方法除去固態物質；第二級：以除去需氧物質(如有機物)為目的；第三級：為專門處理，針對特殊的污染物質選擇特定的方法來處理。

參考資料 http://w3.csghs.tp.edu.tw/teach/tause/%B0%F2%C2%A6%A4%C6%BE%C7%B1%D0%A7%F7/%B2%C4%A4G%B3%B9/2-1.htm
大家都知道"熱漲冷縮"是常態，水這種東西很特別，它遵從熱漲冷縮只在4度C以上時，在4度C以上水的體積為熱漲冷縮，但在4度C以下時，溫度下降體積卻會膨脹，而在0度的時候則慢慢變成冰(大家都知道裝滿水的罐子拿去冰之後會脹大或爆開~就是因為體積膨脹)，而密度=質量/體積，在相同質量下，體積變大，密度當然降低，至於為什麼是在4度C的時候體積會最小，以4度C為基準水是"熱脹冷脹"，我只能跟你說，這就是他的物質特性，與生俱來的。

是因為水有H鍵的關係H鍵會使分子引力間變大....
水在4℃時密度最大用科學的角度看是很不合理的(我是念原子分子科學的)但是我曾聽過一個另類的解釋這個解釋是來自台積電林本堅博士因為他是個天主教徒他寧可相信這是個神蹟生命的起源源自海洋也就是在水中若是水沒有這樣的特性冬天時冰的密度將大於水，便有海洋冰凍的問題生命也就無法形成但因為水在4℃密度最大，即使天冷，結冰僅在表層生命仍可靠冰層下的液態水生存生命才有發展的機會這是他的解釋我覺得很對並非每種道理都可以找到最符合科學的解釋僅在人相信與否這答案希望對你有幫助
水在4℃時密度最大 用科學的角度看是很不合理的(我是念原子分子科學的) ...那以科學角度,是怎樣不合理??
因為這時的体積是最小的咩
他說的不合理是因為..其他的東西都遵守熱漲冷縮..只有水在0~4度C是冷帳熱縮

水的性質與三態變化,水的性質表,水的性質和用途,水的性質與重要性,水的性質 三態變化,有關水的性質,試劑水的性質水的性質,K2O,DDT,氫氧根離子,CaO,水的淨化,H2O,CaSO4,P4O10,懸浮物

石化工業|電鍍|聚合|無機化合物|溶劑|催化劑|防腐劑|光觸媒|核能|有機化學|水解反應|電化學|酵素|週期表|化學實驗|萃取|樹脂|放熱反應|PH值|電解|觸媒|化學反應|合成反應|分解反應|活性|結晶|莫耳濃度|矽膠|酸鹼中和|助燃|氧化還原|有機化合物|元素|吸熱反應|化學鍵|化驗|