水

水是一种无机化合物，化学式为 H₂O：每个分子都由两个氢原子与一个氧原子结合而成。水在自然界中以液态水、固态冰和气态水蒸气的形式存在。它对所有已知生命都不可或缺，既是生物过程发生的介质，也是地球表层环境的重要组成部分。纯净的液态水几乎无色、无臭、无味；天然水通常含有溶解物质或悬浮颗粒。水的分子特性有助于解释它在生物体、地貌和人类活动中的重要作用。(openstax.org)

分子结构与化学性质

水分子中的氢和氧通过极性共价化学键相连。氧对共用电子的吸引力比氢更强，因此氧所在的区域带有部分负电荷，而氢所在的区域带有部分正电荷。虽然整个分子不带净电荷，但这种不均匀的电荷分布使它具有极性。相邻分子之间的吸引作用形成氢键，在液态水中，这些氢键不断形成和断裂。(openstax.org)

极性使水成为许多离子性物质和极性物质的良好溶剂。水分子包围溶解的离子，帮助它们保持分散状态。许多油类等非极性物质难以溶于水，因此“万能溶剂”这一说法并不意味着水能溶解所有物质。这些选择性相互作用是水溶液化学的基础。(openstax.org)

水既可以作为质子供体，也可以作为质子受体。少量水分子会发生自电离：

2H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻

在 25°C 时，纯水中的水合氢离子与氢氧根离子浓度近乎相等，均为每升 10⁻⁷ 摩尔，对应的中性pH 值约为 7。这些浓度会随温度变化，因此中性并不总是意味着 pH 值为 7。(openstax.org)

物理性质

在约一个标准大气压下，纯水在接近 0°C 时凝固，在接近 100°C 时沸腾。这些温度取决于特定条件，并非普遍适用：在较低的大气压下，例如在高海拔地区，水会在较低温度下沸腾。通常情况下，水的密度接近每立方米 1,000 千克，但会随温度和溶解物质的变化而改变。(usgs.gov)

与大多数液体不同，淡水在接近 4°C 时密度最大，继续冷却至凝固点的过程中会发生膨胀。普通冰的密度比液态水小，因此会浮在水面上。这一特性影响湖水的循环，并使液态水上方能够形成起隔热作用的冰层，而不是让冰先在水底积聚。(usgs.gov)

水的比热容较高，这意味着升高水温需要大量能量。因此，大型水体升温和降温都相对缓慢，能够调节附近地区的气候。水还具有较高的表面张力，这与水分子之间的吸引作用有关。水分子之间的内聚力，以及水对其他材料的附着力，共同促使水在狭窄空间中发生毛细运动。(usgs.gov)

地球上水的分布与循环

地球上的水共同构成水圈。一项广泛采用的全球水量统计估计，海洋约占地球总水量的 96.5%。淡水仅占约 2.5%；其中约 68.7% 储存在冰盖、冰川和永久积雪中，约 30.1% 为地下水。因此，尽管湖泊和河流对人类供水和水生环境十分重要，它们也只占地球水量的很小一部分。(usgs.gov)

水循环不断地在海洋、陆地、大气和地下储水体之间转移水分。蒸发使液态水进入大气，凝结和降水则使水返回地表。植物通过蒸腾作用向大气输送水分。随后，水以地表径流的形式流动、渗入土壤，或在地下流动，最终重新进入其他储水体。水的储存时间和运动速率差异很大：大气中的水分循环相对迅速，而部分地下水和冰川储水会留存长得多的时间。人类用水和土地利用变化也会改变这些路径。(usgs.gov)

生物学意义

水为细胞内的许多化学过程提供了水溶液环境。它的溶剂特性使溶解物质能够相互作用和移动，而其热学特性有助于抑制温度的快速变化。蒸发需要大量能量，因此蒸发冷却具有重要的生物学意义。水的分子间相互作用还使物质表现出不同的亲水性：有些物质容易与水结合，另一些则倾向于避开水。(openstax.org)

水不仅是被动的介质，还直接参与化学反应。在产氧光合作用中，依赖光能运行的反应机制从水中提取电子。这一过程向光合系统提供电子，并释放氧气和质子。因此，植物和其他产氧光合生物所产生的氧气来自水，而不是来自用于合成糖的二氧化碳。(openstax.org)

人类用水与水质

人类用水的用途包括生活供水、灌溉、制造、洗涤和工业冷却。在热力发电中，水用于蒸汽驱动的发电系统，也用于带走废热。不同用途对水质的要求不同：适合某种工业过程的水不一定适合饮用。(apps.usgs.gov)

饮用水水质的评估依据是污染物情况和处理效果，而不只是外观。常规处理可能包括混凝、沉淀、过滤和消毒。其他技术则针对特定的溶解性化学物质；例如，活性炭可以去除多种有机化合物，以及造成异味和异臭的物质。处理要求取决于水源水的特征及其中存在的污染物。(archive.epa.gov)

水质是公共卫生的核心关切之一。饮用水管控针对微生物、化学污染物和处理副产物。污水处理承担着不同但相关的功能：在用过的水排放或再利用之前对其进行处理，帮助减少对受纳水体的污染。因此，饮用水生产和污水处理是整体供水与环境质量管理中两个不同的环节。(epa.gov)