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上一篇文章回顾：化学是什么？-第3章化学是社会发展的推动者（3）
4.1 什么的化学
无机化学是研究无机化合物的组成、结构、性质、相互转变规律及应用的科学。“无机”两字来源于早年认为这些化合物是从无生命物质中提取和制得的。现在化合物从组成和结构上分成两大类：有机化合物和无机化合物。将碳氢化合物及其衍生物称为有机化合物，其他都归入无机化合物，包括单质、简单的含碳化合物（如一氧化碳、二氧化碳、碳酸盐、碳化物等）和各种元素间形成的化合物。生命物体中包含有大量的无机物，例如人体中水占体重的60％～70％，水是无机物。随着无机化学研究范围不断扩展并与其他学科交叉、渗透，形成了元素化学、无机合成化学、配位化学、有机金属化学、生物无机化学、无机固体化学、原子簇化合物化学、超分子化学等次级学科。无机化学的研究对资源的开发利用、环境保护、新材料的开发、生命科学的研究等都具有重大意义。下面以元素化学、锂化学和稀土元素化学为例加以说明。元素化学是按元素周期表中元素的排列，分族或对某些个别元素进行研究的化学。例如碱金属元素化学是研究锂、钠、钾、铷、铯和钫等六种元素的通性及每种元素的特性的化学。由于同族元素有许多相似之处，联系在一起讨论，容易理解它们的结构和性质的规律。这族金属元素单质的熔点和沸点都较低，都是电的良导体，都可溶于液氨。它们外层价电子都排布在s轨道上，成为ns1（n＝2，3，4，5，6，7），都容易丢失1个电子成一价正离子，都是强还原剂，化学性质活泼，容易和卤素、水和氧气等进行化学反应。由于随着周期数n加大，原子半径加大，电离能依次降低，原子的电负性也依次减小，化学活泼性增大，金属性增强。一价正离子M＋（M表示金属）的离子半径随n的增大而加大，在分离时，可选择孔穴大小不同的冠醚进行络合（配位）分离，提取含量较稀少的锂、铷和铯，作为贵重的特种材料，提供给新兴的产业部门使用。
锂（Li）是最轻的碱金属，水溶液中Li＋/Li电极的标准电势为－3.04伏（V）。锂电池质量轻、电压高，自放电少，低温性能较好，比较理想，已制造出多种电池（包括蓄电池和热电池）。锂电池已成为绿色无碳排放的车用能源，将会大量使用在锂电池电动汽车中，以代替传统的内燃机汽车。将锂和碘（I）组成一种固体电解质电池，负极为金属锂，正极为碘加聚（2-乙烯基吡啶），电解质为固态的LiI。LiI的电导率很低（室温下约10-7 S·cm-1），在电池制作时并不加入，它是锂与碘发生反应后在原位产生的，故LiI层极薄，足以维持一定的电流。因该电池是固态的，无气、液泄漏等问题，寿命长达十余年，安全、可靠，特别适用于给心脏起搏器作电源，早已商品化。随着信息产业和航空航天工业的发展，制造锂电池、锂合金所涉及的锂化学，吸引着人们的关注。
稀土元素包括15种镧系元素：镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）以及钪（Sc）和钇（Y）共17种第3族元素。化学家和物理学家共同测定镧系元素价层电子结构为4f0～145d0～16s2，钪为3d14s2，钇为4d15s2。原子电子组态的相似性，使它们（钷除外）在光、电、磁的物理性质上有着共同的特点，成为制作各类材料的宝贵原料。现今信息产业、航空航天工业以及许多涉及高科技的产业都需要含有稀土元素制作的材料和元器件。例如，高速铁路所用钢轨，要加入稀土金属提高它的机械性能和抗腐蚀性能；航空航天所用的轻质合金，需添加少量稀土元素，增加其机械强度和抗疲劳性能；稀土永磁材料是重要的功能材料，广泛地用于能源、交通、家电、信息、医疗和机械各种行业。纯粹的单一稀土元素，广泛用于光、电、磁相关领域的产品，如电视机、激光器、控制器等元器件中，电视屏幕上的红色荧光粉，常用铕和钇的氧化物制得，它发光效率高、性能稳定；铽和铈用以制造绿色荧光粉；镝灯具有亮度大、色泽好、体积小、电弧稳定等特点，用于电影和印刷等照明光源；掺铒的激光器，其激光波长范围窄、光强高，性能优良，应用于光纤通信。稀土元素在化学工业中是重要的催化剂，用于化工生产中的许多反应，在汽车尾气净化处理的装置中，加入铈可使尾气中的一氧化碳和氮氧化物的含量减少。
我国在世界上蕴藏稀土元素最为丰富，经化学家的努力，提高了冶炼和分离的技术，已成为生产混合稀土元素和单一稀土元素的大国，其中徐光宪教授发明的串级萃取分离稀土元素的工艺，为高效地从混合稀土元素中分离出单一稀土元素作出重大贡献。随着高新技术高速发展，许多热点问题都涉及和稀土元素相关的材料，为稀土元素化学的发展提供了重大的机遇。
化学是什么？化学是一门充分利用蕴藏的自然资源，将它开发、分离、提纯，为社会的现代化建设提供宝贵的材料的科学。
有机化学是研究有机化合物的来源、合成方法、组成、结构、性能、应用及有关理论的一门基础学科。有机化合物简称有机物，指碳氢化合物及其衍生物。早期已知的有机物都是从生物体得到的，于是人们认为有机物只有在生物的细胞中受“生命力”的作用才能产生出来，对有机物的产生赋予了神秘的色彩。自1828年人工合成尿素后，有机合成得到迅速发展，“生命力”的观点逐渐失去影响，有机物和无机物之间的界线也随之消失。但历史上和习惯上沿用的“有机”这个名词，仍广泛地在化学中使用。在已知的由制备和分离所得的化合物品种中，有机化合物约占90％。据地球化学测算元素丰度得知，碳在地壳中的含量按质量计只占0.027％，数量很少，况且其中的99.7％以煤、甲烷和碳酸盐的形式存在，0.2％在大气中以二氧化碳和甲烷的形式出现，剩余不到0.1％的碳构成地球上全部生命物种的主要物质基础，即有机化合物。碳能以很少的数量构成种类达数千万种的有机化合物，其关键在于碳原子间能形成丰富多彩的化学键，碳骨架的连接和成键情况与单质碳的结构密切相关。
单质的成键规律，在一定程度上在这些元素所形成的化合物中得到继承。所以可根据碳的三种晶态异构体的结构特征和成键规律，将有机化合物分成三族，如表4.1.1所示。
表4.1.1 三族有机化合物的名称和通式
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脂肪族化合物通式RX中，R是脂肪烃基团，其中除饱和脂肪烃基团外，还包括烯和炔等不饱和脂肪烃基团，X为置换H原子的各种基团。它的典型代表是烷烃（CnH2n＋2），它的结构特征是由四面体取向成键的碳原子连接而成。芳香族化合物通式ArX，Ar为芳香烃基团，X为置换H原子的各种基团。它的典型代表是苯（C6H6），它的结构特征是由多个按平面三角形成键的碳原子相互形成离域键，使它具有芳香性。球碳族化合物通式为FuX，Fu为球碳基团，X为加成于球面上和包合在球体内部的各种基团。它的典型代表是含球形C60基团的化合物。球碳基团的结构特征是由球面形成键的碳原子组成三维封闭的多面体。另外，球碳分子和其他试剂反应产生的各种开口多面体化合物，也属球碳化合物。有机化学包括天然产物化学、有机合成化学、物理有机化学、元素有机化学、高分子化学、有机分析化学、生物有机化学、燃料化学等。有机化学与人的物质生活、工农业生产、医药卫生有密切关系，对药物、染料、香料、炸药、食品与营养素、高分子材料、高能燃料、石油与煤化学、日用品化学、农副产品利用等的发展起了奠定基础的作用，对发展经济、改善生活有极其重要的意义。复杂生命现象的研究对象主要是有机分子，因此有机化学的深入研究也为研究生物活性物质与解决生命科学的课题提供了必要的基础与条件。
生物有机化学是应用有机化学的理论和方法研究生命现象的化学本质，是当前非常活跃的前沿领域。它的主要研究对象是核酸、蛋白质和多糖三类生物大分子以及参与生命过程的其他有机分子，它们是维持生命运转的最重要基础物质。生物有机化学研究的前景广阔无比，粗略地归纳一下，重要的有下列几个方面：（1）从生物体中分离、提取得到生物大分子化合物的序列，进行分析和鉴定，测定结构和构象，了解它们的性质和功能。（2）从生物体中得到有机小分子的组成、结构和性能，并进行人工合成及其应用的研究。特别注意含量很低而活性很高的那些物种。
4.1.3 分析化学
分析化学是研究分析方法及相关原理的学科，根据化学和物理学的原理，应用各种方法和仪器，用以鉴别和测定物质的化学组成、结构、存在形式及有关组分的含量等，即对物质进行表征和测量的科学。按其任务可分为定性分析、定量分析和结构分析。定性分析是确定组成物质的各组分“是什么”，定量分析是确定物质中被测组分“有多少”，结构分析是确定物质各组分的结合方式及其对物质化学性质的影响。按分析方法分为化学分析和仪器分析。化学分析是指利用化学反应和它的计量关系来确定被测物质的组成和含量的一类分析方法，测定时需使用化学试剂、天平和一些玻璃器皿，它是分析化学的基础。20世纪四五十年代以来，由于物理学和电子学的发展，促进了仪器分析的快速发展，使分析化学从以化学分析为主的经典分析化学转变为以仪器分析为主的现代分析化学。仪器分析是现代分析化学的重要组成部分。它是利用比较复杂或特殊的仪器设备，通过测量能表征物质的某些物理或物理化学性质的参数及其变化，来确定物质的组成、成分含量及化学结构等的一类分析方法。仪器分析包括光学分析、电化学分析、色谱分析、热分析、放射化学分析以及质谱法和能谱法。仪器分析的产生为分析化学带来了革命性的变化，它具有下面的优点：（1）灵敏度高。样品用量由化学分析的毫升、毫克量级降低到仪器分析的微升、微克量级，适用于微量、痕量和超痕量成分的测定。（2）选择性好。很多仪器分析方法可以通过选择或调整测定的条件，使共存的组分在测定时不产生干扰，不必分离除去。（3）操作简便，分析速度快，易于实现自动化，进行在线测定，便于及时反映和指导生产操作。在仪器分析化学中，化学传感器十分重要。化学传感器是模仿人类感觉器官的人造仪器。它根据需要制造出来，对某些化学物种敏感，并能将其浓度转换为电信号进行检测，类似于人的嗅觉和味觉器官。例如一氧化碳传感器可检测居室或车间中一氧化碳的浓度，其检测灵敏度可低至百万分之几，远低于空气中允许存在的一氧化碳的浓度。人的鼻子等器官不能感受到一氧化碳的存在，常出现中毒或爆炸现象，但制造并安装探测一氧化碳传感器可以有效地防止一氧化碳中毒的发生。同样，制造和安装探测易爆的氢气、甲烷等的传感器，可以减少爆炸事故的发生。
在医治疾病时，化学传感器能够迅速测定人体血液或尿液中的糖含量，对医生诊断疾病大有帮助。物理化学是化学中一个内容十分广泛的分支学科，它是以物理学的原理和实验技术为基础，研究化学体系所遵循的规律的学科，是化学的理论基础，有时又称它为理论化学。物理化学的内容大体上可分为三个方面：化学热力学将物理学中的热力学基本原理，用于化学体系研究宏观平衡态的性质及规律。物理学中热力学所依据的基本规律是热力学第零定律、热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律。从这些定律出发，用数学方法加以演绎推论，结合热化学数据用以解决化学体系发生的化学变化和物理变化的方向和进行的限度问题。根据体系的物态和性质，它又有若干分支学科：热力学、电化学、溶液化学、胶体与表面化学等。化学动力学研究由于化学或物理因素的扰动而使体系中发生的化学变化过程的速度和变化机理。它的分支学科有：催化、分子反应动力学、光化学、分子动态物理化学和分子激发态谱学等。
结构化学是将现代物理学中建立的物理理论和实验方法（例如光谱学、光的衍射原理和技术、固体物理学和量子力学等）和化学融合在一起，用于研究原子、分子和晶体中的空间结构、电子状态和化学键等内容，归纳出物质在原子-分子水平上的微观结构规律、微观结构和宏观性能相互联系的规律，并将所得结果应用于化学各个分支学科中，包括晶体化学、无机结构化学、有机结构化学、量子有机化学、量子无机化学、超分子化学等。量子化学是将量子力学的原理和方法应用于研究化学问题的一门基础学科。量子力学是根据电子、原子和分子等微观粒子具有波粒二象性的运动特征和运动规律，遵循它们的量子化特性和统计性特征建立起来的。1929年，德国人海特勒（W．Heiter，1904—1981）和伦敦（F．London，1900—1954）首次用奥地利人薛定谔（E．Schrödinger，1887—1961）的方程计算最简单氢分子的能量和电子能级，获得很大的成功，这是量子化学学科的开创性工作。量子化学已成为现代物质结构理论的基础。量子化学的主要内容是通过求解微观体系的薛定谔方程，得到原子及分子中电子运动和核运动的波函数及相应的能量，揭示它们相互作用的图像及化学键的本质，解释各种图谱对应的微观结构，了解分子的稳定性及化学反应机理，说明结构和性能的关系。随着新的理论和计算技术的发展，量子化学在化学领域中的作用日益增长。量子化学是发展各个新兴的化学分支学科的重要理论基础，是指导化学家去开发和制备各类新材料的依据。下面以物理化学诸多分支学科中的三个为例，说明物理化学与国计民生密切相关，也和物理学、生命科学、医药科学、材料科学、地学、冶金学等有着广泛而密切的联系。
电化学，涉及电流与化学反应的相互作用，以及电能与化学能的相互转化。这些效应都是通过电池来实现的，故电化学实为电池的科学。电池包括电极和电解质两部分，其基础内容相应分为电极学（电极的热力学和动力学）和电解质学（电解质的热力学和动力学）两方面。电化学的应用领域广泛，如电解、电镀、化学电源、金属腐蚀等，这些都属于电化学工业（电化工）。随着我国科学技术的发展和人民生活水平的提高，蓄电池的制造已成为发展快速而极为重要的新兴产业。下面以两个例子说明：第一，中国人手中拥有的手机量已超过8亿个，每个手机都有一个蓄电池供应电能，仅此一项可见所需蓄电池的数量之多。第二，“绿色汽车”和“电动汽车”已在城市中行驶，降低原来用汽油、柴油汽车排放的二氧化碳和氮氧化物。绿色汽车开动时所需能量靠车内的蓄电池提供。这种车用蓄电池所需功率大、耗电多。这种汽车所用的蓄电池及其供电系统成为制造汽车的核心内容。催化是催化作用的简称，是指化学家以催化剂为魔杖，指挥化学反应，使其沿着指定的途径进行，生产出所需的产品，还根据需要加速或放慢化学反应进行的速度。催化已在化学的各个分支学科中广泛地应用。下面通过一些应用实例介绍催化学科的内容。无机化学家制备出铁催化剂将N2和H2合成NH3，生产价廉、物美的氮肥，使粮食丰收，惠及亿万人民。有机化学家在石油炼制过程中用催化剂将重油裂解生产出航空汽油，提高油品的价值。食品专家寻找出宝贵的酒粬作催化剂，酿造出高品位的好酒。药物学家筛选出合适的酶作催化剂，以葡萄糖为原料合成出价格低廉、具有特定立体结构、适合人们服用的维生素C。可见，催化作用已使化学家“变化”出丰富多彩的产品。还有许多问题，例如减缓高分子材料的老化、减慢人体衰老过程、延长人体寿命等，都有待催化去实现。
晶体化学又称结晶化学。它是晶体学和化学结合形成的交叉学科，是研究晶态物质的化学。它也是研究晶体的制备、组成、结构、性能和应用的科学。晶体结构具有空间点阵式的周期性结构，在晶体中原子的排列相对稳定。近一个多世纪以来，科学技术的发展已为深入精确地研究晶体的结构提供了符合实际的理论、有效的方法和先进的仪器设备，快速而精确地测定晶体结构，为在原子水平上探讨晶体的结构、性质及其应用提供了全面的微观结构数据。它涉及无机化学、有机化学、生物化学、矿物学等基础学科及相关的固体化学和材料化学，成为现代化学的重要基础，也是材料科学和生命科学深入发展的重要支柱。生物化学是研究微生物、植物、动物、人体等有机生物体的化学组成和生命过程中的化学变化规律的一门科学，主要内容包括研究和探讨生物体的化学组成；研究蛋白质、糖类、脂类、酶类、核酸等生物大分子以及辅酶、激素、抗生素等小分子的化学结构、性质及其生理功能；研究这些生物分子在生物体内不断转化的代谢过程以及伴随其中的能量利用和转化的规律；研究生物体生长、发育、繁殖的机制，特别是从分子水平认识遗传信息传递的规律；研究机体各种生物化学变化过程的调节机制以及代谢紊乱和遗传缺陷与人类各种疾病的关系。特别是脱氧核糖核酸（DNA）双螺旋结构的阐述、遗传密码的发现和遗传信息传递的中心法则的确定，揭示了生物代谢、生长发育与遗传的内在联系，使生物化学成为现代生物科学的一门新兴的、最具活力的学科，标志着生命科学进入了一个新的发展时期。生物化学研究借助于化学及物理学的原理和方法，以及包括遗传学、微生物学、细胞学、免疫学、分子生物学和生物信息学等生物学的方法。目前许多现代物理学方法，如光谱分析、X射线衍射、核磁共振、电子显微镜、同位素标记等技术的引入对生物化学研究的深入发挥了重要作用。特别是计算机技术的应用，对大量生物信息的储存、利用、管理和开发作出特殊的贡献。最新的生物芯片技术的应用和发展，将突破原有生化研究的模式，推动生物化学的迅速发展。
水是由两种元素组成的分子量最小的三原子分子；水是地球上数量最多的分子型化合物，约覆盖地球表面70％的面积；水是一种性能最为独特奇异的化学物质；水是和生命物质关系最为密切、最不可缺少的化合物；水是化学工业生产中最常用的试剂和溶剂。上述几个“最”反映出水在自然科学，特别是在化学中的重要性。
水的化学式为H2O，分子量为18.0。水分子呈弯曲形，O原子在中心分别向外和2个H原子以共价键结合，O—H键长为95.72 pm（皮米，10-12m），![]()
键角为104.52°，如图4.1.1（a）所示。O原子有6个价电子，其中2个分别和H原子以共价键结合，剩余两对孤对电子。H2O分子中的O原子周围的4对价电子的分布呈四面体形，如图4.1.1（b）所示。
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图4.1.1 （a）H2O分子的结构， （b）H2O分子电荷分布的四面体形式
水分子的两个H原子指向四面体的两个顶点，呈正电性（＋），O原子的两对孤对电子指向四面体的另外两个顶点，呈负电性（-），所以H2O是极性分子。气态分子的电偶极矩为6.17×10-30 C·m（库［仑］·米）。极性水分子中正电性的一端常和另一个水分子中负电性的一端结合，形成O—H…O或O…H—O氢键。氢键的结合力介于共价键和范德华引力之间，不论水处于液态或结晶成固态的冰，分子间都有氢键作用将它们结合在一起。分子间的氢键作用力使水具有很特殊的物理性质，如表4.1.2所列。水的沸点和冰的熔点都很高，将它和分子量相同的甲烷（CH4）相比，水的沸点为100℃，甲烷的沸点为-161.5℃，两个化合物的沸点相差261.5°。冰的熔点为0℃，甲烷的熔点为-182.4℃，两种化合物熔点相差182.4°。两种化合物各自的熔点和沸点间的差距明显不同，H2O达100℃，而CH4只有21℃，这些差别都因两种分子的分子间作用力不同所致。
表4.1.2 水的物理性质
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常压下，水冷至0℃以下，结晶成日常见到的冰、霜、雪。在冰中每个H2O分子都和周围4个H2O分子通过O—H…O氢键结合，如图4.1.2所示。注意冰中H原子无序地分布，即对每个氢键存在O—H…O与O…H—O的概率相等。冰中O—H…O氢键键长平均为276 pm，键能为27 kJ·mol-1。冰的晶体结构属六方晶系，具有六重轴对称性。冰中水分子间氢键的变化，使得在天空中自由生长的雪花外形丰富多彩、变化无穷。图4.1.3示出几种雪花的形状。天上降落的雪花，其形状没有两朵是完全相同的。但是不论雪花外形怎样变化，其内部结构的六重对称轴决定雪花都具有六重对称性的特点不会改变。![]()
图4.1.2 常压下冰的晶体结构
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图4.1.3 雪花的形状
冰的密度为0.9168 g·cm-3（0℃），比水的密度0.99987g·cm-3（0℃）要小。冰是浮在水面上的，导致水的结冰是从水面开始自上而下进行，这不同于一般结晶物质沉在底部。正是冰的这一特点有利于水中动植物的生长，得以平安地渡过寒冷的冬天。但是也要注意，水结冰时体积膨胀会导致冬天室外水管和汽车散热器常常因冰冻而破裂，要及时进行保温等预防措施。水在0℃到4℃之间，随着温度的上升而体积缩小，密度增加，到4℃时达到1.0000 g·cm-3。冰在这温度区间出现的热缩冷胀现象，和一般物质的热胀冷缩规律是相反的。从水的内部结构看，在此温度区间随着温度上升，分子振动加剧，破坏部分还处于冰结构的氢键，使它变成水，密度增大，体积缩小。水分子间的氢键结构，使它的比热容（或简称比热）数值很高，达4.18 J/（g·℃）。液态水是已知的液体中比热最高的物质之一，原因在于冰化为水只破坏部分氢键，仍保留大量分子间的氢键，使分子不能自由运动。水的高比热使它成为一种特别优异的冷却剂和蓄热剂。水的高比热性能在调节气候中起重要作用。在缺水的干旱沙漠地区，夏天太阳照射地面，温度会迅速上升，到夜晚太阳落山，气温迅速下降，昼夜温差很大。反之，在沿海或水乡地区，昼夜温差值要小得多。冰的升华热大，说明冰中分子间的氢键作用力强，在升华时要得到更多的热能才能完全破坏这些氢键。冰的熔化热较小，说明冰熔化时只是一小部分（约15％）的氢键断裂。随着温度升高，吸收能量，使氢键逐渐断裂，所以水的比热容很大。在沸点时，液态水中依然存在相当数量的氢键，因而蒸发热较大。许多化合物在水中的溶解度比较大，海水中溶有大量的NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2等无机盐。世界海洋其大无比，互相连通，海洋中的化学成分基本恒定，其中离子成分的平均数量列于表4.1.3。
表4.1.3 海水中的离子成分
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内陆盐湖含盐量和大海不尽相同，一方面是由于水分蒸发，含盐度上升；另一方面盐湖周围地表水和雨水溶解当地地表的矿物成分，注入盐湖逐渐积累，使一些盐湖含盐量上升，甚至湖底含有大量盐矿，成为盐湖的矿物资源。例如，我国青海的柴达木盆地盛产NaCl、KCl和硼酸盐、硫酸盐。由上表可见，海水含有大量无机盐，它是人们生活所需的盐资源，也是化工生产的重要原料。但是海水含盐量若超过3.5％，对鱼类等海洋动物的生存具有制约作用，只有少量动物经过长期的进化演变才可以适应。对人类而言，海水含盐量太高不能直接饮用，也不适用于工业生产，海水淡化处理是一项重大的化学工程。水作为化学反应和生命物质的溶剂或试剂时，了解水溶液中包含H＋和OH-的浓度极为重要，在纯水或水溶液中，H2O分子具有少量的解离性能：![]()
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由此可得纯水在室温下H＋的浓度［H＋］和OH-的浓度［OH-］为：［H＋］＝［OH-］＝10-7 mol·dm-3
在化学中，通常对H＋浓度值不用上述指数式表示，而用pH表示：pH＝-lg［H＋］
pH＝-lg［H＋］＝-lg（10-7）＝7
在酸性水溶液中，［H＋］＞10-7 mol·dm-3，可得pH＜7。pH减小，酸度增加，pH降低1个单位值，H＋浓度［H＋］增大10倍。水溶液中不可能只有H＋而没有OH-，反之亦然。但它们的浓度要符合［H＋］［OH-］＝1×10-14。例如［H＋］为1×10-5mol·dm-3时，［OH-］浓度为1×10-9 mol·dm-3。正常人体血液的pH为7.4，即它略带碱性。胃中分泌的胃液呈酸性，pH在2～4之间。醋和柠檬汁的pH在2.0～2.5。在大气中，因CO2含量高，下雨时CO2溶于水，并和水发生化学反应：![]()
通常雨水呈弱酸性，pH介于5～6之间，若测得雨水的pH＝5，表明下降的雨水H＋浓度增高到10-5 mol·dm-3。水是一切生物必要的生存条件，这里的生物包括动物、植物、微生物，人是进化最高阶段的生物体。水是生命的源泉，人们判断某个星球中是否有生命存在的依据，首要的标准就是该星球是否有水存在，有液态水存在才有生命。水是组成人体的主要化学物质，按整个人体质量计，水超过半数。根据生物学和医学的统计，儿童身体中水占75％，成年人占50％～65％，人体中各个器官含水量不同，大脑中水占80％以上，血液中水占83％，骨骼中水占20％。水维持着人体的各种生理功能：消化吸收、分泌排泄、呼吸循环、皮肤蒸发等都必须通过水参与其中的生理过程。人体如果失去体重10％的水，生命就难以维持。生物体由数量很多的各种类型的细胞组成，细胞有细胞膜和细胞质。细胞膜一般对体积很小的水分子是畅通的，而对各种生物质，如蛋白质、糖类及核酸等分子和金属离子配位化合物等，则选择性地为它们开门进出。进入细胞内部的分子和离子在细胞内部的水溶液中相互发生化学反应，生成新的化合物，通过细胞膜输出到生物体的其他器官进行新的生物化学作用，执行新的生物功能。细胞处在水为主体的溶液中运行，即细胞膜内外整个细胞都和水有密切的关系。由于水分子除了可以和生物体中的N和O等原子之间形成O—H…O氢键外，还可以形成N—H…O和O—H…N氢键，这些氢键对蛋白质、糖类以及核酸的结构和构型、构象的变化起着重大的作用。水不仅是生物化学反应的溶剂，还是所有生物化学反应的参与者。
水在人体中起溶剂作用的功能可从人体的呼吸过程来理解。血浆是多种可溶性生化物质组成的水溶液，当吸入肺中的氧溶于血浆，氧气和血红蛋白结合在一起，通过血液循环输送到其他器官，使氧气和相关的营养物质，如糖类进行氧化反应，产生CO2、H2O和其他产物及废物，放出热量供人体维持一定的温度。溶于血浆中的CO2通过肺部的呼吸作用，从呼吸道排出体外；反应产生的残渣输送到消化器官，通过尿液和粪便排出体外。水溶液中的各种离子在细胞内部的溶液中相互发生化学反应，生成新的化合物，通过细胞膜输出到生物体其他区域进行新的生物化学反应，产生新的生物功能。
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