水的性質

水的形態

水以多種形態存在，固態的水即我們熟知的冰，氣態的水即我們所說的水蒸氣（無色，我們看到的白色水氣是水蒸氣冷凝後的液態小水滴），而一般只有液態的水才被視為水。在其臨界溫度及壓力（647K及22.064MPa）時，水分子會變為一種「超臨界」狀態，液態般的水滴漂浮於氣態之中。
重水是普通水的氫原子被它更重的同位素氘所取代而形成的。其化學性質和普通水基本一致，常用在核反應爐中減速中子。

鹽水密度

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著冰點冷卻時，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。
隨著鹽水表面開始結冰（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時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。

可壓縮性

水的壓縮係數隨壓力和溫度變化。在0℃和0氣壓情況下，水的壓縮係數是5.1×10⁷ bar⁻¹。 隨著壓力的增大，壓縮係數不斷減小，在0℃達到3.9×10⁷ bar⁻¹。水的本體模量是2.2×10⁹ Pa。 非氣體，尤其是水的低可壓縮性，使人們往往錯誤地認為水不可壓縮。水的低可壓縮性，意味著即便是在4000米深的海底，壓力達到4×10⁷ Pa，水的體積也僅僅減少了1.8%。

三相點

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。

姆佩巴效應

姆佩巴效應，亦稱姆潘巴現象，是指熱水在一定條件下比冷水更快結冰的奇怪現象。但仍可以用蒸發、對流、過冷、熱絕緣來解釋。

熱冰

熱冰是水的另一個驚人現象，即水在室溫下，加以10⁶伏特的電場，也能變成冰。
這個現象被用來解釋雲的形成，雲層里的冰晶初次形成時需要−10 °C的低溫，而後來再次結冰只需要−5 °C，這意味著晶體的結構發生了改變。

表面張力

由於水具有所有非金屬液體中最大的表面張力值72.8 mN/m，使水滴保持相對穩定。當少量水滴滴在玻璃板上，即可觀察到水的表面張力：水滴繼續保持液滴狀態。另一個常見的例子是，向一杯注滿水的玻璃杯中緩緩投放硬幣，水不會立刻溢出，而是向上凸起。水的這一特性對生物來說非常重要。例如，植物吸水時，水通過莖內的木質部向上運輸。強大的分子間作用力維持維管束中水的柱狀形態，粘接性使水柱聚集，粘性是水緊貼維管束壁，而張力則能防止葉面蒸騰作用導致水柱斷裂。其他低張力的液體則會導致液柱裂開，形成真空，使蒸騰作用失效。

導電性質

不包含任何離子的水是優良的絕緣體，可即使是去離子水也不是完全沒有離子的。水在絕對零度以上的任何溫度下都會發生自偶電離。由於水是優良的溶劑，所以其中總會含有微量的溶質，多數情況下為無機鹽。即使很少量的雜質也會使水導電，因為溶於水中的鹽會電離為自由離子。
水可由通電而分解為氫氣和氧氣兩種物質，此過程被稱為電解。此時水分子電離出的H⁺及OH⁻離子，分別向陰極及陽極移動。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）。

水的偶極性

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。由於氧的電負度比氫高，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。當被冷卻至冰點附近時，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著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質凝固時都會收縮。
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℃。

水作為溶劑

由於水的極性，水是一種良好溶劑。當離子或極性化合物進入水中，就會被水分子立刻包圍。水的相對分子質量使一個溶質分子可以被多個水分子包圍。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。
一般來說，離子分子和極性分子諸如酸，酒精，和鹽類比較容易溶解在水中，而非極性分子如脂類，油，等有機物在水中由於凡得瓦力作用而聚集。
一個離子化合物溶質的典型例子是食鹽（NaCl），它會在水中分離為Na⁺陽離子和Cl⁻陰離子，每個被水分子包圍的離子會從晶格上移走，進入溶液。一個非離子溶質的例子是蔗糖，水中的氫離子與蔗糖的-OH基結合，從而將蔗糖分子帶入溶液。

水的酸性

理論上，在298 K溫度下的水的pH值為7。而事實上，純水的製備是非常困難的。暴露在空氣中的水會迅速的吸收二氧化碳，生成低濃度的碳酸(pH極限值為5.7)。雲滴形成以及雨滴掉落的過程中，水也會吸收空氣中CO₂，因此大部分水都是弱酸性的。如果空氣中氮氧化物和硫氧化物含量過高，就會導致酸雨。

水分子的孤對電子

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士鹼。
H₂O+H⁺→H₃O⁺

水的氫鍵結合

一個水分子最多能形成四條氫鍵，因為它能夠在接受兩個電子的同時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，而二氧化矽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。

水分子的量子特性

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，水表現得較像H3/2O，而不是H₂O。 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。

水於生物學上的重要性

水在生物學中的重要性主要是因為生物在維持生理機能時需要仰賴水的物理及化學性質。比如，植物在運送水分時，是利用水的氫鍵互相牽引所形成如水鏈狀結構，在植物專門運送水分的導管中形成氫鍵使水分子不會受到引力作用而掉落至導管管壁，再利用蒸散作用帶動水分向上運輸。在植物水分的運輸過程中充分的解釋了水的運輸牽涉於水的物理性質。另外在生物體中，水是一種緩衝的溶液，利用解離出的氫氧基(OH-)以及質子(H+)可以將外來少量的強酸或強鹼中和，如此可確保細胞中的蛋白質結構的完整性，而對酵素而言，在酵素的結構上需要維持一定的結構才具有活性。而經由上述案例可說明在生物體內需要利用水的化學及物理性質才可維持生物體結構(細胞型狀)及機能(如酵素活性)上的穩定。

歷史

在歷史上，人們曾利用水的性質來定義溫度的標度。值得注意的是，熱力學溫標、攝氏溫標和華氏溫標都是，或曾經是用水的熔沸點來定義的。其他不常用的溫標，例如Delisle溫標、牛頓溫標、列氏溫標和羅默溫標，也是用相似的方法定義的。在現代，人們更普遍使用水的三相點作為一個標準點。
1800年，英國化學家威廉·尼科爾森第一次使用電解的方法將水分解成為氫氣和氧氣。1805年，約瑟夫·路易·給呂薩克和亞歷山大·馮·洪堡展示了水是由兩體積的氫和一體積的氧組成。
1933年，吉爾伯特·牛頓·劉易斯分離出來第一份純的重水。
聚合水是一個水的聚合物的假設，在1960年代晚期是科學界的爭論話題之一。現在多數人認為聚合水並不存在。

系統命名法

水（Water）和氧烷（oxidane）是被國際純粹與應用化學聯合會承認的正式名稱。另外氧化氫這個名稱也用來描述這個分子。
對水來說，最簡潔的系統命名是「氧化氫」。這個命名與對相關化合物命名相似，如過氧化氫、硫化氫和氧化氘（重水）。另外一個系統名稱是氧烷（oxidane），它被用來作為對基於氧的相關取代基系統命名時的母體。 但事實上，這些取代基常常有其他的推薦名稱，例如，羥基（hydroxyl）被推薦來描述-OH集團，而不是「oxidanyl」。IUPAC也認為不應該使用oxane來描述這個分子，因為它已經被用來描述一個環醚，也被叫做四氫吡喃。相似的化合物還包括二噁烷和三氧雜環己烷（trioxane）。