一、水

1.水分子的結(jié)構(gòu)

水分子是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子所組成的，三個(gè)原子排列成以兩個(gè)氫原子為底，以氧原子為頂?shù)牡妊切?，如圖3-1。分子中正負(fù)電荷中心相互分離，其偶極矩μ很大，μ=6.14X10^-30C?m，因此水分子具有很強(qiáng)的極性。

圖3-1水分子的結(jié)構(gòu)

圖P79頁

在具有強(qiáng)極性的水分子之間，由于H—0之間的電子云強(qiáng)烈地偏向電負(fù)性很大的氧原子，使氫原子核裸露，產(chǎn)生剩余價(jià)鍵，能與另一個(gè)水分子中的氧原子相結(jié)合，形成氫鍵，如圖3-2中虛線所示。

圖3-2水分子間氫鍵的形成示意圖

圖P79頁

2.水的性能特點(diǎn)

由于水分子有很強(qiáng)的極性，水分子之間又有氫鍵，因此，水在許多方面表現(xiàn)出很特殊的性質(zhì)，比如沸點(diǎn)、比熱容、汽化熱、溶解性、表面張力等性質(zhì)。

（1）水有優(yōu)良的分散溶解能力強(qiáng)極性的水分子與離子型化合物或強(qiáng)極性化合物等強(qiáng)電解質(zhì)分子接觸時(shí)，水分子和它們的離子或極性分子相互吸引，并由于質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)，使電解質(zhì)分散、溶解或離解于水。溶解于水并電離的離子，又能與水分子結(jié)合，即發(fā)生水化作用，成為水合離子，分散于水中。水合過程是放熱過程，可使溶解于水溶液的離子穩(wěn)定。因此，水是大多數(shù)無機(jī)酸、堿、鹽的良好的、成本低廉、應(yīng)用極廣的溶劑和清洗介質(zhì)。

水的極性分子和具有極性的有機(jī)化合物也有強(qiáng)烈的相互作用，水分子與分子中有強(qiáng)電負(fù)性元素的其他有機(jī)化合物分子，如醇、胺、有機(jī)酸、蛋白質(zhì)等也會(huì)形成氫鍵，有利于這些有機(jī)物在水中的溶解，因此，水也可用于清洗某些有機(jī)化合物。

灰塵、土壤等是含無機(jī)鹽的混合物，在一定程度上也可分散于水中成懸浮液，部分溶解于水。

（2）水有較大的汽化熱和比熱容由表3-1和表3-2可見，水的汽化熱和比熱容比許多其他的溶劑大。溫度每升高1°C或降低1°C，水所吸收或放出的熱量比同質(zhì)量的其他溶劑多，因此水是常用作冷卻、傳熱等的良好載體。

（3）水有接近于常溫的沸點(diǎn)和凝固點(diǎn)在0?100°C之間，水都是小粘度的液體，便于使用常規(guī)的方法控制清洗溫度，進(jìn)行清洗作業(yè)。又由于0?100°C，接近常溫，便于在水蒸氣一液態(tài)水一固體冰三態(tài)和能量之間的轉(zhuǎn)換。

表3-1水和某些物質(zhì)的汽化熱

表3-2水和某些物質(zhì)的比熱容

圖P80頁

（4）水有適中的蒸氣壓有一定的蒸氣壓和揮發(fā)性，有利于清洗后表面干燥。水的蒸氣壓和溫度的關(guān)系見表3-3。

（5）水有不可燃燒性這是大多數(shù)非水溶劑所不具備的。

（6）水是無色、無毒、無臭、無味的液體。

（7）水有特殊的體積一溫度關(guān)系一般液體的體積，隨溫度升高而增加。但是，由于水分子間的氫鍵數(shù)和締合水分子數(shù)隨溫度變化而變化，因此4°C時(shí)其體積最小，密度最大，溫度低于或高于4°C時(shí)的密度變小。

3.水的局限性

作為清洗介質(zhì)，水也存在一些不利于清洗的性質(zhì)。

表3-3水的蒸氣壓

圖P81頁

（1）水是強(qiáng)極性分子，對(duì)非極性或極性小的污垢的溶解分散作用很差，因此單獨(dú)用水難以清洗油污、非極性高聚物等。

（2）水分子間的氫鍵的存在，使其分子間有很強(qiáng)的作用力，產(chǎn)生水分子之間的締合作用，使若干簡(jiǎn)單的分子轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的締合分子。因此，水有很大的表面張力，在25°C時(shí)，為71.96N/m；80°C時(shí)為62.6N/m；100°C時(shí)為58.8N/m。而其他液體的表面張力大多在20-50N/m之間。例如，在對(duì)應(yīng)溫度下，乙醇的表面張力分別為24N/m，31N/m和30N/m。它在許多物質(zhì)的表面就難于鋪展開，也就是滲透、濕潤(rùn)性不良，這對(duì)于清洗是不利的。在用清洗液進(jìn)行清洗的過程中，清洗液必須先濕潤(rùn)物體的表面，再往內(nèi)部滲透，才能進(jìn)一步發(fā)揮溶解、分散、乳化和剝離等作用。以水為溶劑的某些清洗液是難于滲透到被清洗的整個(gè)表面的。當(dāng)然應(yīng)該也可以采用某些添加劑（比如表面活性劑）加以克服。

（3）地面和地下水中含有大量的各種鹽和其他雜質(zhì)，例如鈣鹽、鎂鹽、鐵鹽等等，對(duì)清洗效果造成不良的影響。

4.水在工業(yè)清洗中的應(yīng)用

（1）污垢溶劑

可以用水清洗帶極性的污垢，起到溶解、分散作用。包括可溶性無機(jī)鹽垢、塵垢、糖垢等。

（2）其他清洗添加劑的溶劑

工業(yè)清洗中的大部分清洗添加劑都是以水為溶劑的。例如，酸、堿、鹽、表面活性劑、螯合劑以及某些極性非水溶劑，都是以水為溶劑，配成溶液，用于清洗作業(yè)的。

（3）噴射介質(zhì)

機(jī)械清洗中的高壓噴洗，主要是以水為施加壓力的介質(zhì)，形成高壓噴水清洗技術(shù)。

（4）漂洗介質(zhì)

在經(jīng)過清洗液清洗后的材料或設(shè)備表面，有各種添加劑的殘留物附著，必須加以清除，以免被帶入生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)，污染生產(chǎn)原料或產(chǎn)品，或影響下一道工序一如涂刷、電鍍、焊接等的加工質(zhì)量。為此進(jìn)行嚴(yán)格的漂洗是十分必要的。水是最常用、最低廉的漂洗介質(zhì)。有時(shí)還要求用高純度的水進(jìn)行漂洗。

5.水中雜質(zhì)對(duì)清洗的危害

（1）金屬離子的危害

①鈣、鎂離子的危害水中的鈣鎂離子對(duì)某些清洗劑的清洗效果有明顯的影響，尤其是影響某些表面活性劑清洗液的性能。例如，十二烷基苯磺酸鈉會(huì)與鈣鎂離子發(fā)生下列反應(yīng)：

公式P82頁

鈣鎂離子和肥皂中的硬脂酸鈉反應(yīng)，生成不溶解于水的硬脂酸鈣和硬脂酸鎂，而使肥皂喪失清洗作用：

2C??H??COONa+Ca2+=（C??H??COO）?Ca↓+2Na+

②鐵離子的危害鐵離子包括Fe3+和Fe2+，在中性和堿性水溶液中常以氫氧化亞鐵Fe（OH）?和氫氧化鐵Fe（OH）?的形式存在。當(dāng)水中的鐵含量比較多時(shí)，被清洗的表面，尤其是紙張、纖維、織物等會(huì)被染上黃色。鐵的氫氧化物是以膠體狀態(tài)懸浮于溶液的，會(huì)絮凝、沉積于被清洗表面，而且難于除去。鐵離子能和堿性清洗劑中的磷酸根結(jié)合為難溶的磷酸鐵，粘附于被清洗表面，也比較難以清除。而且鐵的離子是鐵細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)源，它的殘留，可能引起鐵細(xì)菌的繁殖。此外，三價(jià)鐵離子有比較強(qiáng)的氧化性，尤其在酸性清洗劑中，會(huì)加速某些金屬如Fe、Cu的腐蝕。例如：

2Fe3++3Cu=2Fe+3Cu2+

2Fe3++Fe=3Fe2+

③銅離子的危害在酸洗液中如果所含Cu2+的濃度比較大，在清洗中，也可能造成鐵、鋅和鋁等金屬的腐蝕：

Cu2++Fe=Cu+Fe2+

Cu2++Zn=Cu+Zn2+

3Cu2++2A1=3Cu+2Al3+

當(dāng)銅離子的還原產(chǎn)物金屬銅沉積于被清洗的金屬表面時(shí)，在設(shè)備投入使用后，由于微陰極銅的存在，可能引起設(shè)備的穿孔。

④鋁離子的危害水中的鋁離子可與堿性溶液中的氫氧根結(jié)合為絮狀A(yù)1（OH）?沉淀，粘附于被清洗的表面；當(dāng)清洗液中有磷酸根時(shí)，也生成粘附性很強(qiáng)的磷酸鋁附著于被清洗的表面。

（2）陰離子的危害

水中常常含有Cl-、OH-，CO?2-，HCO?-、PO?3-、HPO?2-、H?PO?、SO?2-，SiO?2-，HSiO?-等陰離子。

①堿度：水中能和強(qiáng)酸發(fā)生中和反應(yīng)，即能接受H+的物質(zhì)的總量稱為水的堿度。這類物包括：

強(qiáng)堿：氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣等；

弱堿：氨等；

強(qiáng)堿弱酸鹽：碳酸鈉、碳酸氫鈉、磷酸氫二鈉、硅酸鈉等。

堿度有甲基橙堿度和酚釀堿度兩種測(cè)量和表示方法。

以酚酞為指示劑，用強(qiáng)酸滴定水樣至溶液的紅色消失為終點(diǎn)，所消耗酸的量為該水樣的酚酞堿度（P）。

以甲基橙為指示劑，用強(qiáng)酸滴定水樣至溶液的紅色消失為終點(diǎn)，所消耗酸的量為該水樣的甲基橙堿度（M），又稱為水的總堿度。

甲基橙堿度總是大于酚酞堿度。由甲基橙堿度（M）減去酚酞堿度（P），可以判斷水中的OH-、CO?2-、HCO?-等離子的相對(duì)含量。

用酸滴定至酚酞指示劑變色，水中發(fā)生的主要反應(yīng)：

OH-+H+=H?O

CO?2-+H+=HCO?-

HCO?-+H+=H?CO?

由于把CO?2-滴定成HCO?-，和把HCO?-滴定成H?CO?所消耗的酸量一樣，而且OH-和HCO?-不會(huì)同時(shí)存在于同一溶液，因此，當(dāng)酚酞堿度和甲基橙堿度相等時(shí)，表明水中只有OH-離子，不存在CO?2-和HCO?-離子。

如果甲基橙堿度是酚酞堿度的兩倍時(shí)，表明水中只有CO?2-離子。如果甲基橙堿度小于酚酞堿度的兩倍時(shí)，表明水中有OH-、CO?2-離子，不存在HCO?-。表3-4列出酚酞堿度和甲基橙堿度的相對(duì)大小與水中堿度組成的關(guān)系。

表3-4P和M的相對(duì)大小與堿度組成的關(guān)系

表格P84頁

水中的OH-、CO?2-和HCO?-都能和鈣鎂離子生成難溶的鹽垢。

②氯離子：清洗用水中含有氯離子，對(duì)于許多被清洗的金屬是有害的。氯離子會(huì)引起鈍態(tài)金屬的局部腐蝕。因?yàn)槁入x子容易變形，發(fā)生離子極化，極化了的氯離子，有很強(qiáng)的穿透能力。在一定的條件下，氯離子破壞金屬的表面膜，引起孔腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕等局部腐蝕。因此，在清洗不銹鋼、鋁等易鈍化的金屬材料和設(shè)備時(shí)，用于配制清洗液和作為漂洗介質(zhì)的水，應(yīng)控制氯離子的含量。

但是，簡(jiǎn)單地說氯離子腐蝕金屬是不妥的。因?yàn)槁入x子并不具備氧化性，是不可能氧化和腐蝕任何金屬的。只有氧化劑與之共存時(shí)，氯離子才起到促進(jìn)腐蝕的作用。工業(yè)清洗用的水中含有溶解氧，是氯離子能促進(jìn)腐蝕，引起局部腐蝕的前提條件。如果水中沒有溶解氧，又不含其他的氧化劑，即使水中的氯離子濃度再大，也不會(huì)引起金屬的腐蝕。

水中所溶解的固體的總量稱為水的總?cè)芄塘?。總?cè)芄塘看硭目偤}量，又稱為水的鹽度或礦化度。

淡水的總?cè)芄塘浚?000mg/L；

咸水的總?cè)芄塘?000~30000mg/L；

高鹽水的總?cè)芄塘浚?0000mg/L。

（3）可溶性氣體的危害

①氧氣：在敞開于大氣中的水系統(tǒng)中，大約含有6?10mg/L的溶解氧。在水中不含有其他的氧化劑的情況下，氧的存在，是清洗液腐蝕金屬的基本原因。

②氨：在中性或堿性的清洗液中，氨的存在對(duì)不銹鋼、鋼鐵的腐蝕有一定的抑制作用；但是，在有氧化劑存在的條件下，氨會(huì)加速銅的腐蝕。因?yàn)椋睂?duì)銅離子有配合能力，從而加速銅的溶解。

③二氧化硫：二氧化硫在水中生成亞硫酸，對(duì)金屬有明顯的腐蝕作用。

④硫化氫：溶解于水和清洗液的硫化氫，在一定的條件下，可能促進(jìn)鋼鐵的應(yīng)力腐蝕、孔蝕等。

（4）油污的危害

含油污的水如果用于配表面活性劑清洗液，將消耗部分表面活性劑發(fā)生乳化。如果用于配制不能使油污乳化的清洗液，油污將污染被清洗表面。如果用其作為漂洗介質(zhì)，漂洗已經(jīng)清洗過的表面，將使已清洗的表面發(fā)生再污染。油污是細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)源，能增加微生物的活性。因此用含油污的水配制的各種清洗液容易變質(zhì)發(fā)臭。

（5）懸浮物的危害

水中的懸浮物指顆粒大于0.1μm的雜質(zhì)，例如粘土、泥沙等。懸浮物的濃度用濁度表示，即水中微粒物體對(duì)光線透過時(shí)所發(fā)生的阻礙程度。通常以含1mg/L高嶺土或硅藻土的水的濁度規(guī)定為1mg/L。并以此為標(biāo)準(zhǔn)溶液，用比較法測(cè)定其他水樣的濁度。顯然，濁度大，水中的懸浮物含量多，對(duì)于清洗有不良的影響。尤其是漂洗用水中的懸浮物，會(huì)造成被清洗表面的再污染。

（6）有機(jī)物的危害

水中的有機(jī)物通常指腐殖質(zhì)、纖維素、菌藻、病毒和人為加入的有機(jī)添加劑等。在一般的情況下，它們的影響比較小。但是，當(dāng)清洗食品、醫(yī)藥、電子元件等時(shí)，必須嚴(yán)格凈化，否則會(huì)造成嚴(yán)重的污染

有機(jī)物的含量通常用化學(xué)需氧量（COD）和生物需氧量（BOD）表示。

①化學(xué)需氧量（COD）：在強(qiáng)酸性、加熱回流的條件下，用高猛酸鉀或碘酸鉀氧化水樣中的有機(jī)物，氧化劑的消耗量即為化學(xué)需氧量。

②生物耗氧量（BOD）：在一定的條件下使水樣中的有機(jī)物在微生物的作用下進(jìn)行生物氧化，在一定的時(shí)間內(nèi)所消耗的溶解氧的量為生物耗氧量。

水的COD和BOD越大，水中有機(jī)物的含量越高。