地球/5a. H2O：神奇的气体、液体和固体
水 (H2O) 是地球表面最丰富的物质，也是宇宙中最丰富的分子之一。液态水覆盖了地球表面的 71%，从太空中看地球时呈现出令人惊叹的蓝色。作为太阳系中唯一一颗深蓝色的星球，地球在其与太阳的理想位置上独一无二，可以促进 H2O 的三种状态：海洋中的液态水、云层中的水蒸气和地球冰川和雪中的冰。地球最令人惊奇的特点之一是，在其漫长的历史中，H2O 的三种状态都存在。
在木星的冰卫星 木卫二 上，水被锁定在冰冻的海面之下，温度远低于 -150 摄氏度，而火星的平均温度为 -60 摄氏度，水只以冰冻状态存在，主要集中在它的北极。
通过 好奇号火星车、火星勘测轨道飞行器 和其他探测火星的任务，发现了火星早期存在液态水的证据，表明火星在其数十亿年前的早期历史中可能比现在更温暖。
金星，一颗比地球略微靠近太阳的行星，平均温度为 462 摄氏度，远高于水的沸点，金星上所有的水都以水蒸气的形式存在于其表面厚厚的热大气中。即使是地球的月球也缺乏显著的液态和气态水，尽管日夜温差很大，从夜间的 -173 摄氏度到白天的 127 摄氏度，月球岩石和尘埃中微量水的极端日常脱水和再水合导致近乎永久冻结的冰积累在寒冷的极地以及太阳每日热量照射的冰阴影中。
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地球海洋中的动态液态水、大气中的水蒸气以及雪和冰在太阳系中是真正独特和特殊的。这是由于行星温度的微妙平衡，跨越了水的熔点和沸点，但在这个范围内并没有过冷或过热。
水的化学式为 H2O，每个水分子有两个氢原子通过共价键连接到一个氧原子。在 1 个大气压（海平面）下，冷却到 0 摄氏度（32 华氏度）的水会冻结成冰，而加热到 100 摄氏度（212 华氏度）的水会沸腾成蒸汽或水蒸气。“三相点”是相图上的一个点，说明物质在不同温度和压力下的状态，三个状态（气态、液态、固态）可以共存。水的三相点出现在 0.0075 摄氏度（32.0135 华氏度）和 611.657 帕斯卡或 0.006 个大气压。这个点类似于在海平面正常大气压下冻结水的低温，但三相点可能自然发生在地球表面以上 36 公里的极低大气压下，导致冰、水和水蒸气在地球表面以上的高层大气平流层中共存。
水、冰和水蒸气具有一个宽的吸收带，包括可见光谱之外的电磁辐射的长波长，包括红外光和微波辐射。在可见光谱中，水和冰的分子弱吸收波长低至 750 纳米的波长，阻挡一些可见红光波，导致水和冰呈蓝色。水的红外电磁辐射宽带吸收导致水的热容很高。
事实上，水在常见分子中具有最高的比热容。水还表现出很高的汽化热，这使得水在达到沸点之前不会沸腾。冻结的水具有很高的熔化焓或潜热，这意味着与其他类型的分子相比，熔化冰并将水的温度升高需要大量的能量。由于这三种非凡的热学性质，水及其在地球上的分布对地球的气候有深远的影响，因为它可以储存大量的热量，并且可以抵抗作为冰冻冰的升温。冰在 -10 摄氏度的比热容为 2.03 J/(g·K)，蒸汽在 100 摄氏度的比热容为 2.08 J/(g·K)。这些不寻常的性质（高热容、高汽化热和高熔化焓）是单个分子之间形成的强氢键的结果。
在液态水中，水分子中的氢原子由于水分子轻微的极化而被吸引到相邻分子中的氧原子。氧原子包含 8 个质子（+8 电荷），并且比包含 1 个质子（+1 电荷）的氢原子更吸引轨道电子。这意味着水分子中的氧原子由于负电荷电子被吸引到氧原子核而带有部分负电荷，而氢原子将带有轻微的部分正电荷。这种极化导致水分子定向，因此氢原子被吸引到相邻分子。这种吸引力很弱，很容易被破坏。水分子中单个氢键的寿命非常非常短，一杯水中的氢键不断形成和断裂。这与将单个氧原子和两个氢原子结合在一起的强共价键完全不同。这些共价键需要相当大的能量才能断裂，并且具有很强的结合力。
尽管氢键很弱，但它很重要，因为它导致了水所具有的独特化学性质。液态水具有很高的内聚力。内聚力是分子之间相互吸引的力。氢键使液态水分子相互吸引，使它们粘在一起，并在形成水滴时使水呈现出“薄膜”状。当液态水分子粘在一起时，由于弱氢键将这些分子结合在一起，它们会形成球形水滴，这就是所谓的内聚力。这种内聚力导致很强的表面张力，即液体表面抵抗外力的性质。例如，如果你小心的话，你可以让一个回形针漂浮在液态水面上，这是由于这种高表面张力。水的表面张力很高，使水黾科的昆虫可以在水面上行走，而不会沉入水中。水分子也表现出对其他分子的轻微附着力，特别是那些含有氧原子（如二氧化硅玻璃 SiO2）和氢原子（如塑料（C2H4）x 聚合物中发现的烃）的分子。这种附着力导致在玻璃边缘附近形成弯月面。
弯月面是一种凹陷，是由水分子粘附在固体表面（如试管、塑料烧瓶或酒杯）上造成的。这是由于水分子与它们接触的氧原子或氢原子之间的弱氢键的粘附力引起的。这种附着力会导致毛细作用，使水能够被拉入狭窄的细管中，这些细管存在于自然界的植物根部和茎部（需要水）以及活体动物的血管中。
水分子独特的极化特性，在每一侧都带有轻微的正电荷和负电荷，使液态水分子能够破坏放置在液态水中的固体的离子键。这使得水能够溶解固体，例如盐，通过破坏固体中原子之间的弱离子键。能够溶解由弱离子键形成的固体物质的液体被称为溶剂。水被认为是地球上最重要的溶剂之一，它能溶解比任何其他液体更多的固体物质。
由 Na+ 阳离子和 Cl− 阴离子组成，它们通过相反的电荷相互吸引，食盐在放入液态水中时会分解并溶解。Na+ 会被带轻微负电荷的水分子氧侧吸引，而 Cl− 会被水分子氢侧吸引，从而破坏 Na+ 和 Cl− 之间的离子键，从而形成固体盐晶体。这些离子将存在于盐溶液中，它们已溶解在液态水中。如果在液态水中加入更多盐，溶液将变得过饱和。过饱和溶液是指溶液中溶解的物质比溶剂所能溶解的物质更多，并且会开始从水中析出。固体在液体中溶解的量取决于温度。这在制糖时经常用到，糖被添加到沸水中，随着水的冷却，糖的溶解量减少，糖晶体会析出。最有趣的化学性质之一发生在分子中含有氢离子 H+ 或氢氧根离子 OH− 时被添加到水中。
在 19 世纪 90 年代，约翰·凯尔达尔，一位在卡尔斯伯格啤酒厂工作的丹麦化学家，被分配了一项任务，即找出用于酿造啤酒的谷物中含有多少蛋白质。啤酒厂使用的谷物中的蛋白质含量越低，能够生产的啤酒就越多，因为蛋白质在酒精发酵过程中不需要。凯尔达尔取得了成功，并开发了一种方法来测量谷物中氮的含量，氮存在于蛋白质中，但不存在于糖中。因此，谷物中发现的氮越多，谷物中蛋白质含量就越高。有一天，在 1900 年 7 月，约翰·凯尔达尔突然去世，享年 50 岁。他在啤酒厂的空缺引起了年轻的丹麦化学家索伦·彼得·劳里茨·索伦森的注意。索伦森从小就希望成为一名医生，但他对无机化学和地质学产生了兴趣。在大学期间，他在丹麦的地质调查中度过了夏天，但他真正的热情是化学。他希望成为一名老师，但卡尔斯伯格啤酒厂的职位薪酬更高，他获得了啤酒厂的工作。他承担了一项新的任务，即了解蛋白质和其他复杂的生物有机分子是如何被分解的。蛋白质可以通过加热到高温来分解，酿酒师将谷物煮沸以制成麦芽，但众所周知，酸也能分解蛋白质。在啤酒厂工作期间，索伦森仔细研究了酸的作用方式。
当将含有包含氢的离子键的物质的分子添加到水中时，就会形成酸，例如 HCl（盐酸）。氢离子 H+ 阳离子会与 Cl− 阴离子分离，导致溶解，就像盐 (NaCl) 一样。然而，氢离子 H+ 阳离子在溶解后具有很高的反应活性，会与复杂的生物有机蛋白质反应并将其分解。使液体呈酸性的原因是液体中溶解了多少氢离子 H+ 阳离子。中和这些过量的氢离子 H+ 阳离子的一种方法是引入含有 OH− 阴离子的物质，例如 Ca(OH)2（氢氧化钙）。这些 OH− 阴离子会与 H+ 阳离子反应并形成 H2O。含有过量 OH− 阴离子的液体称为碱性，而含有过量 H+ 阳离子的液体称为酸性。纯水 (H2O) 不含过量的 H+ 阳离子，也不含过量的 OH− 阴离子，因此呈中性。
在他的啤酒厂实验室中，索伦森需要开发一种方法来将各种液体分类到一个标度中，以衡量它们在他实验中的酸性或碱性程度。1909 年，他开发了一个对数标度，该标度现已广泛应用于化学、地质学和生物学。后来在 1924 年修改为pH 标度。
索伦森知道，即使在含有大量 OH− 阴离子的液体中，也总会存在少量的 H+ 阳离子。随着 OH− 阴离子的加入，H+ 阳离子的数量会呈指数级减小。在中性水中，索伦森发现活性 H+ 阳离子每摩尔仅为 0.000000003540133，需要写出这么多零的小数并不实用，因此索伦森开发了一种使用反对数标度的方法，这意味着液体中 H+ 阳离子的值越大，标度上的数字就越小。
每摩尔含有 0.5 个 H+ 阳离子的液体将具有非常低的 pH 值 0.3，而每摩尔含有微量 H+ 阳离子的液体（例如 0.0000000001 个 H+ 阳离子）将具有较高的 pH 值 10。pH 值低于 7 的液体为酸性，而 pH 值高于 7 的液体为碱性。漂白剂和其他家用清洁剂在这个标度上约为 13.5 pH，而醋约为 3 pH。极低和极高的 pH 值很容易分解蛋白质，因为 H+ 阳离子或 OH− 阴离子过多。这些标度两端的液体具有很强的腐蚀性和危险性，包括液体排水管清洁剂（pH 值很高）和电池酸（pH 值很低）。了解 pH 值对于了解地球上的水非常重要，因为水是一种强溶剂，会破坏离子键，形成含有不同数量的 H+ 阳离子或 OH− 阴离子的水混合物。这对于了解地球上的雨水、地下水、河流、湖泊和海洋的化学性质尤其重要。
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