水的性質

在银河系星云中被探明存在水，由于氢和氧是构成宇宙的主要元素，科学家认为其他星系中依然存在大量水。

由于星云尘埃的凝聚，形成各种彗星、行星、矮行星及其卫星，水也会存在于这些天体上。在太阳系中，水以固体形式存在于以下天体：

• 月球
• 水星、火星、海王星
• 冥王星
• 天然卫星、如海卫一、木卫二

目前尚只在地球上发现液态形式的水。科学家预测液态水也极有可能存在于土卫二的表面。

水以水循环为载体存在于地球上，包括大气层、土壤含水、河流水、地下水、植物含水。

地球上的水含量（全部水）大约是13.6億立方公里。這包括了：

• 1,320,000,000 km³（97.2%）在海洋中。
• 25,000,000 km³（1.8%）在冰川、冰盖、冰原中。
• 13,000,000 km³（0.9%）是地下水。
• 250,000 km³（0.02%）是淡水，包括河湖、内陆海。
• 13,000 km³（0.001%）存在于大气层中。

大部分物質固態時的密度比液態時要高；因此，一塊固態純“物質”會沉入液態的純“物質”中。但是，一塊普通的冰卻會在水上浮，這是因為固態水的密度比液態水要“低”。這是水的一項非常重要的特性。在室溫時，液態水在溫度降低時密度會增加，這跟一般物質無異。但在接近冰點的3.98°C 時，水達到其最大密度，而且當水的溫度繼續向冰點下降，在標準狀態下液態水會膨脹，密度並因此會變“低”。這現象的物理原因跟普通冰的晶體結構有關，該結構又被稱為六角形。水、鎵、鉍、銻和硅都會在凝固時膨脹；其他大部份材料則收縮。但要注意的是，並不是所有種類的冰密度都比液態水低。例如高密度非結晶冰和超高密度非結晶冰的密度都比液態純水要高。因此，普通冰密度比水高的理由並不能容易地憑直覺所得，而且它跟氫鍵固有的不尋常特性有很大的關係。

總的來說，水在凝固時的膨脹是由於其以氫鍵不尋常的彈性而排成的縱列分子結構，以及能量特別低的六角形晶體形態（也就是標準狀態下所採用的形態）。那就是當水冷卻的時候，它嘗試在晶格形態下成堆，而該晶格會把鍵的旋轉及振動分量拉長，所以一个水分子会被邻近的几个分子推挤，這實際上就減少了當水在標準狀態下成冰時的水密度ρ。

這特性在地球生態系統中的重要性是不言而喻的。例如，“如果”水凝固的時候密度較高的話，極地環境中的湖泊和海洋最後都會結成冰（從上至下）。這是因為此時冰會沉到湖底及河床，而必要的升溫現象（見下文）在夏季時則因暖水層質量比底下的固態冰層低而發生不了。自然界的一個重要特徵就是上述並不會在環境中自然發生。

然而，冷水（在相關生物系統中的一般自然設定下）因氫鍵而在從冰點以上的3.98°C所開始產生的不尋常膨脹，為淡水生物在冬季提供了一重要的好處。在表面上被冷凍的水沉下，形成提供對流的水流並冷卻整個水體，但當湖水到達4°C 時，若繼續冷卻則表面水密度降低，形成一表面層，該層水最後會凝固成冰。由於向下的冷水流被密度的轉變擋住，冬季任何由淡水所成的大水體最冷的水都會在表面附近，離開湖底及河床。這說明了多種不為人知的冰性質，它們跟湖中的冰相關及像二十世紀早期科學家卡夫特（Horatio D. Craft）所描述的“跌出湖的冰”。

以下是水在不同温度下的密度（克每立方厘米）：[2]

0 °C以下的密度值参看过冷水。

水的密度不只取決於水溫，這是因為鹽水的密度與純水不同。冰仍然會在海洋上浮，否則它們會把水底冷凍起來。然而，海洋的鹽份把冰點降低了約2°C並把水最大密度的溫度降至冰點。那就是為何當海水向着冰點冷卻時，裏面的下向冷水流不被膨脹所擋掉的原因。海洋中水溫在冰點附近的冷水繼續下沉。故此，任何試圖在像北冰洋這樣的冷水底下生存的生物，冬季普遍居住水溫比表面結冰的淡水河、湖要再低4 ^oC。

隨着鹽水表面開始結冰（當處於平均海水的3.5‰鹽度時，冰點為-1.9 ^oC），所形成的冰實際上不含鹽分，且密度與淡水冰相若。這種冰會浮在水上，且被“凍出來”的鹽分會增加水的鹽度而使得此时海水的密度比正常海水稍高，這個作用被稱為“鹽水棄置”。這密度較高的鹽水會因對流而沉下，而補上的鹹水亦受此作用影響。這作用為表面提供了-1.9 ^oC淡水冰。成形中的冰下鹹水增加的密度，是它向底下沉的原因。

水的压缩系数随压强和温度变化。在0℃和0气压情况下，水的压缩系数是5.1×10⁷ bar⁻¹。[3] 随着压力的增大，压缩系数不断减小，在0℃达到3.9×10⁷ bar⁻¹。水的本体模量是2.2×10⁹ Pa。[4] 非气体，尤其是水的低可压缩性，使人们往往错误地认为水不可压缩。水的低可压缩性，意味着即便是在4000米深的海底，压强达到4×10⁷ Pa，水的体积也仅仅减少了1.8%。[4]

固態、液態和氣態水能同時存在的溫度和壓力就被稱為水的三相點。這點用於制定溫度單位（開氏度，間接攝氏度，甚至華氏度都是）。約定俗成的三相點溫度為273.16 K (0.01 ^oC)，而壓力則為611.73 Pa。這個壓力是頗低的，約為海平面大氣壓力（101,325 Pa）的1/166。火星這行星上的表面大氣壓力跟三相點壓力非常地相近，故火星的零海拔或“海平面”被規定為大氣壓力跟三相點壓力一致的高度。

姆佩巴效应，亦称姆潘巴现象，是指热水在一定条件下比冷水更快结冰的奇怪现象。但仍可以用蒸发、对流、过冷、热绝缘来解释。

热冰是水的另一个惊人现象，即水在室温下，加以10⁶伏特的电场，也能变成冰。[5]

这个现象被用来解释云的形成，云层里的冰晶初次形成时需要−10 °C的低温，而后来再次结冰只需要−5 °C，这意味着晶体的结构发生了改变。[6]

水的表面张力

由于水具有所有非金属液体中最大的表面张力值72.8 mN/m，使水滴保持相对稳定。当少量水滴滴在玻璃板上，即可观察到水的表面张力：水滴继续保持液滴状态。另一个常见的例子是，向一杯注满水的玻璃杯中缓缓投放硬币，水不会立刻溢出，而是向上凸起。水的这一特性对生物来说非常重要。例如，植物吸水时，水通过茎內的木质部向上运输。强大的分子间作用力维持维管束中水的柱状形态，粘接性使水柱聚集，粘性使水紧贴维管束壁，而张力则能防止葉面蒸腾作用导致水柱断裂。其他低张力的液体则会导致液柱裂开，形成真空，使蒸腾作用失效。

不包含任何离子的水是优良的绝缘体，可即使是去离子水也不是完全没有离子的。水在绝对零度以上的任何温度下都会发生自偶电离。由于水是优良的溶剂，所以其中总会含有微量的溶质，多数情况下为无机盐。即使很少量的杂质也会使水导电，因为溶于水中的盐会电离为自由离子。

水可由通电而分解为氢气和氧气两种物质，此过程被称为电解。此時水分子电离出的H⁺及OH⁻離子，分別向陰極及陽極移动。兩個H⁺在陰極獲得兩電子形成氣體H₂，而四個OH⁻則於陽極結合並釋放出氧氣、分子水及四個電子。氣體生成氣泡升上水面，可被收集。已知水電阻率的最大理論值於25℃時約為182 kΩ ·m²/m（18.2 MΩ·cm²/cm）。此數字與超純水系統逆滲透時觀測到的相當一致，該系統的水經超過濾及去電離處理，半導體製造廠等會用到。鹽或酸等污染物水平即使超過一萬億分之一(ppt)，都會使電阻率水平大幅下降達好幾個kΩ·m²/m（相等於電導上升幾百nS/m）。

水柱被带电的塑料尺（左）吸引，右图为正常情况的对比。

水的一項重要特性就是它的極性。水分子呈角狀，當中氫原子位於末端而氧原子則在頂點。由於氧的電負性比氫高，所以分子中有氧原子的一邊電荷會偏負。帶這樣一個電荷差的分子被稱為偶極子。電荷差使得水分子互相吸引（偏正電的區域會被偏負電的區域吸引），同時亦使它們和其他極性分子互相吸引。這種吸引力被稱為氫鍵，它解釋了許多水的特性。某些分子，如二氧化碳，原子間負電性亦有差異，但不同之處在於二氧化碳分子形狀成對稱排列，因此對立電荷會被相互抵消。如果將電荷靠近小水柱時亦可觀察到水的此一現象，這現象會使水柱向電荷方向彎曲。

儘管氫鍵是一種相對較弱的引力（跟連接水分子內原子的共價鍵比較時），但是它造就了水的多個特性。其中一個特性就是水相對較高的熔點及沸點，因為需要更多能量才能夠克服分子間的氫鍵。相近的化合物硫化氫（H₂S）的氫鍵較水的弱，在室溫下是氣體。水分子間額外的鍵為液態水帶來了高比熱容。這種高比熱容使水成為一種較佳的熱量儲存媒介。

氫鍵也為水帶來了結冰時不尋常的表現。當被冷却至冰點附近時，由於它們能透過重組來使能量最小化的關係，所以氫鍵的存在意味着分子可以形成帶六角形晶體結構的冰，這種冰的密度實際上較低：因此於固態時（冰）會浮水上。亦即是說，水結冰時會膨脹，而差不多其他全部物质凝固時都會收缩。

在足夠壓力下，固體密度比液體低會帶來一個有趣的效果。當壓力增加時熔點下降，而當熔點溫度比周圍環境低時冰會熔化。要使熔點大幅度下降需要增加相當大的壓力——溜冰者所施加的壓力只會把熔點下調約0.09℃。

由于水的极性，水是一种良好溶剂。当离子或极性化合物进入水中，就会被水分子立刻包围。水的相对分子质量使一个溶质分子可以被多个水分子包围。偶極中偏負電的部分受溶質中的正電部份吸引，而偶極中的正電部分則反之亦然。

一般来说，离子分子和极性分子诸如酸，酒精，和盐类比较容易溶解在水中，而非极性分子如脂类，油，等有机物在水中由于作用而聚集。

一个离子化合物溶质的典型例子是食盐（NaCl），它会在水中分离为Na⁺阳离子和Cl⁻阴离子，每个被水分子包围的离子会从晶格上移走，进入溶液。一个非离子溶质的例子是蔗糖，水中的氢离子与蔗糖的-OH基结合，从而将蔗糖分子带入溶液。

在化学上，水是一种两性物质，即水可以同时充当酸和碱。当水的pH值为7（中性）时，氢氧根离子（OH⁻）浓度等于水合氢离子（H₃O⁺）浓度。当化学平衡被破坏时，两种离子的比例发生变化，而表现出酸性或碱性。

根据布仑斯惕-劳里酸碱理论（Brønsted-Lowry）系统，酸被解释为一种在反应中失去质子（一个 H⁺离子）的物质，而碱则是在反应中得到质子的物质。所以在反应中遇到强酸，水就充当碱，相反，遇到强碱，水就充当酸。例如，在平衡状态中，水从HCl得到H⁺离子，充当碱：

HCl + H₂O ⇌ H₃O⁺ + Cl⁻

在和氨水的反应中，H₂O 失去H⁺离子，水充当酸：

NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻

理论上，在298 K温度下的水的pH值为7。而事实上，纯水的制备是非常困难的。暴露在空气中的水会迅速的吸收二氧化碳，生成低浓度的碳酸(pH极限值为5.7)。云滴形成以及雨滴掉落的过程中，水也会吸收空气中CO₂，因此大部分水都是弱酸性的。如果空气中氮氧化物和硫氧化物含量过高，就会导致酸雨。

水分子上還有未成鍵的孤對電子，能與酸放出的氫離子結合生成水合氫離子，所以水也是一種路易斯鹼。

H₂O+H⁺→H₃O⁺

一個水分子最多能形成四條氫鍵，因為它能夠在接受两个电子的同时也可以提供兩個電子。其他分子，如氟化氫、氨及甲醇，都能形成氫鍵，但它們的熱力學、動能及結構方面都沒有像水那樣的異常表現。水跟其他氫鍵液體的顯然不同之處在於，水是唯一能形成四條氫鍵的分子，其他分子不能這樣做的原因有二：一是由於它們不能再提供或接受氫，二是由於這樣做會形成引起立體效應的殘餘物。由水的四條氫鍵所形成的正四面體序列，產生了開放結構以及三維結合網絡，跟簡單液體內部的緊密結構截然不同。儘管水是有氫鍵結合網絡的液體，而二氧化硅則有高熔點的電價網絡，但兩者的異常表現仍有相近之處。水適用於生命體，而且被牠們採用，原因在於它在各生物程序適應的一系列溫度狀況下展示出獨有的性質，包括水合作用。

一般被認為水的氫鍵主要是由靜電力及一些電價性所導致的。氫鍵的類電價性質由萊納斯·鮑林於1930年代預測，至今仍待實驗及理論計算的明確證明。

儘管水的分子式一般被認為是分子熱力學的穩定結果，但於1995年開始的近期研究指出在水的亞原子量子水平時，水現得較像H_3/2O，而不是H₂O。[7] 此結果可能對生物、化學及物理系統裏的氫鍵等水平上產生重要的分支課題。實驗指出當中子及質子與水碰撞時，它們的散射方式表明它們只受1.5:1的氫氧比率所影響。然而，能觀測到這反應的時間段需以微微微秒（10⁻¹⁸ s）來量度，故此只與被高度分解的運動及動力系統有關係。[8][9]