水的重要性
密度的奧秘
水是一種非常有趣的東西，自然界有些重要的物理或化學的法則，是許多物質所遵守的，惟獨水不遵守。水的特性，讓許多科學家「跌破眼鏡」，水是最平凡，又是最奇妙的東西，讓這世界許多聰明的人，百思不得其解。不過幸好水不遵守自然界的這些常規，否則所有的生物都無法生存。例如，在自然界的物質，溫度愈低其密度就愈高，水的密度隨溫度的降低，而增加濃度，但是降到4℃時，密度為最大，4℃到0℃結冰，溫度雖然降低，水的密度反而降低。幸好，水的密度不是在結冰時最大，否則在冬天時，結了冰的水會沈到水底，表面的水則繼續結冰，又往下沈…如此整個海洋、湖泊、河川從水底到水面都會結成冰塊，沒有一條魚，沒有一棵水草能夠長在冰塊裡，整個水域變為毫無生命氣息的沈寂。
但是事實不是這樣，結了冰的水，因為密度比4℃時的密度小，所以是浮在水面上，而不會沉到水底。水面上結了冰，就會隔絕水與冷空氣的接觸，冰結到某一個厚度後就會停止。這樣底下的魚類仍然可以生存於嚴冬之下，即使在終年冰天雪地的南北極，企鵝仍然可以在冰塊底下找到豐富的魚群為食物。為什麼水會有這種奇妙的特性，幫助生命的生存，這是科學家無法回答的，全世界祗有水有這種特性，其他物質都沒有這種特性。
由4℃到0℃，水結成冰以後，因為密度降低，冰的體積反而膨脹了十分之一，所以在海上看到冰山要提高警覺，因為浮在海上的冰山祗佔全部冰塊體積的十分之一，另外有十分之九是沈在水底，曾經不可一世的鐵達尼輪船，就是一時大意，被冰山撞沈的。
漁場的所在
當水的溫度愈低，水中溶解的氧氣會愈多，當水的溫度愈高，流過赤道水中的營養物質會較多，這包括水中浮游性有機物也較高，這些有機物是來自陸地溪流帶下來的。當海水中含氧氣較多的寒流，遇上含營養物較多的暖流，在交會之處有豐富的營養物供魚類攝食，又有較多的氧氣供魚類呼吸作用（respiration），常成為世界上魚類最多的地方，如在加拿大海邊的「拉不拉多」漁場。
另外在溪水與海水的交會之處，淡水中的有機營養物與海水中較高的溶解氧氣相混，也會使河口或是感潮之處成為另一個漁場。例如台北縣的淡水河是大漢溪、新店溪與基隆河匯合而成的，這三條支流遭到台北工業、都市廢水所污染，在中下游又黑又臭，除了大肚魚與吳郭魚之外，很少見到其他魚類的蹤跡。但是一到淡水河關渡附近，受到海水的影響，水裡的魚又多起來了。在淡水河口迴游的魚有很多種，例如花身雞魚、大鱗梭、黃鰭鯛、白帶魚、大眼海鰱、銀紋魚鯛、短嗜魚、七星鱧魚、虱目魚、烏魚等。
水的流動
水在常溫之下是液體，到了100℃才會達到沸點，這是大家都知道的事。但是在常溫之下，怎麼會是液體呢？水的分子量是18
g/mole，即每一摩爾數的水分子數（6.02×1023個），有18克重，但是分子量34
g/mole的硫化氫(H2S)，沸點是—59.6℃；硒化氫（H2Se）的分子量是81
g/mole，沸點是—42℃，所以在常溫之下，硫化氫與硒化氫都是氣體，這是自然界的另一個規則，分子量愈高，分子彼此的作用力高，要把分子的距離拉開，使每個分子能自由移動比較困難，所以分子量愈高，沸點就愈高。結果水又違反了這一個規則，分子量比硫化氫的分子量低，沸點卻高達100℃，水在地球上大部份以液體的形式存在，使得水在地球的表面能夠移動來移動去。
中國有句諺語：「如江河下百川」，有時「一江春水向東流」，都是証明水容易在地面上移動，水也可以由地面移動到地下去，所以有俗語提到「覆水難收」，表示潑出去的水就不易收回來，甚至說「河水不犯井水」表示在地面上與地底下流的水還不相通，其實地面水與附近的地下水是相通的，祗是地下水的流動較慢罷了。水在不同的地方，有不同的移動速度，成為人將來要管理水、使用水的重要課題，水多的地方容易淹水，我們會希望這種水趕快流走，水少的地方，容易產生乾旱，我們會希望水流慢一點。因此讓水能流快一點，或是流慢一點，成為人類文明的重要活動。
有一個讓水能流快一點的人，是中國的古代君王大禹；有一個能使流水流進四川盆地，滋潤大地的人叫李冰。這些歷史上的英雄人物令人敬佩，但是人經常忘了讓水能移動的造物者，更值得敬佩。
水的蒸發
在常溫之下，水雖然是液體，但是在散熱的情況下，水會由液體蒸發成為水蒸氣。生物為什麼需要水，有個重要的因素，是為了蒸發散熱。人打完籃球，滿頭大汗，這就是一種散熱的程序，使得人因為運動所產生的熱量可以散走，如果把打完籃球的人塞到棉被裡面，他一定會非常的不舒服，因為不能散熱。陸地上的動植物與人一樣，都需要水，植物吸取的水份，百分之九十九是用來蒸散水分，以保持本身溫度的恆定。狗在奔跑以後的吐舌喘氣，是一種蒸發水份的散熱。象在大太陽下搖擺耳朵，也是一種散熱，大象的耳朵是血管密布的所在，也是對熱較敏感的地方，所以在菲洲叢林中忽然看到一頭兇猛的大象，搖頭擺耳，仰天長嘯，不用太害怕，大象祗是在給自己散熱。
水的蒸發也是水循環（water cycling）的重要程序，研究水在地球上不同性態的移動變化稱為水文（hydrology）。地球上的水一共有1.38×1018升，其中有97.59％是在海水，2.41％是在淡水，0.001％則成為水蒸氣在空氣裡。不要低估這0.001％的水蒸氣，水能夠長期的使用，人類與生物能夠長期的獲得淡水，這十萬分之一的水是極關鍵的，因為水能蒸發，再藉著雨水沈降，成為主要的淡水源。
水能夠蒸發散熱是自然裡一個非常巧妙的設計，水蒸氣在大氣層中仍然繼續吸收太陽輻射熱，無形中大氣層像是保溫杯的隔熱層，使得太陽的熱量不會很快地自地球表面散走，保持夜間仍然有相當高的溫度。許多人喜歡住在森林或是高爾夫球場邊，因為森林與草地放出的水蒸氣較多，附近的日夜溫差會比較小。
水的表面張力
有些水生昆蟲能夠在水面上自由移動，是水的表面張力，使得水份能夠進入昆蟲的腳毛之間，以張力將水蟲支撐在水面之上。在15℃時水的表面張力是73
dyne/cm，這是一個很大的力，來自水分子與水分子之間的強大吸引力，有這個表面張力，水才能在負壓的情況下，在土壤的孔隙中與植物的導管中移動。怎麼知道這是一種負壓情況下移動呢？
在白天時用小刀將樹幹砍一刀，流出來的樹汁是從篩管中流出的葡萄醣，這是植物的葉子行光合作用的產物，以正壓的情況自樹枝上的葉部向樹根儲存。但是樹木的導管內所運輸的水份，是對抗地球重力，由樹木的根部向樹葉運送，導管內的水必須有足夠的表面張力，才能由下往上移動，如果這時向樹幹潑一些水，水還會被吸進樹裡，這正如剪下一朵花，插在水中，水會逐漸被花吸進去，這証明花朵裡面的水份傳送是在負壓的情況下進行。如果水沒有這麼大的表面張力，植物就沒有辦法生存。
在台灣諺語中「一枝草，一點露」，其實一枝草上不祗有一點露。露來自清晨水蒸氣的冷凝，因著表面張力的作用，而成為一顆顆的露珠，非常的美麗。
水的溶解能力
所有人都知道廁所的馬桶，是用水去沖的，無論大便小便，都可以沖乾淨。「為什麼要用水沖呢？」，不知道你有沒有被這問題困擾過，難道用沙拉油不行嗎？效果不會這麼好。用水沖排泄物的好處是水很容易流動，並且很容易與尿相混合，所以自古以來，水就是人類保持「清潔」的最佳用品，在維持公共衛生上，貢獻重大。
水是自然界最具溶解性的液體，許多物質都能夠溶解在水中，這對生物是一個很重要的特性。水必須能夠溶解許多營養份，如鈣、鎂、鈉、鉀、鐵、氮、磷等，才能攜帶這些物質進入生物的細胞，提供生理代謝所需要的基質。在物質界，水能溶解許多礦石，才能改變地貌，化育土壤，風化岩石。事實上植物生長所需要的土壤，與水的溶解性具有密切的關係，在缺乏水的地方，岩石的風化祗能由岩石變成大石頭，由大石頭變成小石頭，由小石頭變成砂子，這些是物理性的風化。砂子要再轉變成更小的坋粒（silt）或是黏粒（clay），需要有水參與，產生化學性的風化，與一些生物性的促進。而坋粒與黏粒是構成土壤具有保水功能與吸附營養份的主要角色，植物也因此才能存活。有水，萬物才能欣欣向榮。
水的比熱
水的比熱是1
cal/g℃，表示增加1克的水攝氏1度所需的熱是1卡路里（cal），這是一個表示物質是否容易改變溫度的單位。比熱大的物質，溫度愈不容易改變。
比熱的大小與分子量有關，一般分子量愈大的物質，比熱愈大，但是水例外，水的分子量是18
g/mole，其比熱是1 cal/g℃，但是分子量有34
g/mole的過氧化氫，比熱才祗有0.58
cal/g℃，反而比水還要小。
水的比熱大，這對於生物的存活極具貢獻，例如人體內約有80％～83％的水，所以周圍的氣溫改變時，人才不會忽冷忽熱，因為要改變水的溫度是不容易的。石頭裡面的含水量很少，所以石頭周圍的溫差怎麼改變，石頭的溫度就怎麼改變。
水的美觀
中國人講「仁者樂山，智者樂水」，水對人類有一種天然吸引力。人們看到一片汪洋的舒適，看到一條瀑布的驚喜，走過一條小溪的喜悅，躺在一條河邊的平靜……那是流行娛樂與大眾媒體所無法取代的。因此人會努力保護海洋，或是一條可能不太有經濟價值的小溪，人會在公園中挖小池塘，在花園中設噴水池。水給人精神層面的滿足，是無法用科學去明白的。但是科學可以幫助大自然，留下更多的水域，淨化更多的老化湖泊，防止溪流岸邊的土石滑落，給人更多的空間去親水、近水。相反的，誤用的科技，完全被私慾扭曲的科學，也可以把人類所喜愛的水污染殆盡。
正確的善用水，抑或錯誤的浪費水，其關鍵就在是否真正地認識上蒼賜給我們地球上水資源的價值了。
|
