Вода в нормальных атмосферных условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние, тогда как аналогичные водородные соединения являются газами. Это объясняется особыми характеристиками слагающих молекулы атомов и присутствием связей между ними. Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45°, и эта конфигурация строго сохраняется. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды является активным диполем, где кислородная сторона отрицательна, а водородная положительна. В результате молекулы воды притягиваются своими противоположными полюсами и образуют полярные связи, на разрыв которых требуется много энергии. В составе каждой молекулы ион водорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, в результате чего он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома кислорода соседней молекулы, образуя водородную связь с другой молекулой. Каждая молекула связана с четырьмя другими посредством водородных связей — две из них образует атом кислорода и две атомы водорода. Комбинация этих связей между молекулами воды — полярной и водородной, определяет очень высокую температуру её кипения и удельную теплоты парообразования. В результате этих связей в водной среде возникает давление в 15-20 тыс. атмосфер, которое и объясняет причину трудно-сжимаемости воды, так при увеличении атмосферного давления на 1 бар, вода сжимается на 0,00005 доли её начального объёма.
Структуры воды и льда между собой очень похожи. В воде, как и во льду, молекулы стараются расположиться в определённом порядке — образовать структуру, однако тепловое движение этому препятствует. При температуре перехода в твёрдое состояние тепловое движение молекул более не препятствует образованию структуры, и молекулы воды упорядочиваются, в процессе этого объёмы пустот между молекулами увеличиваются, и общая плотность воды падает, что и объясняет причину меньшей плотности воды в фазе льда. При испарении, напротив, рвутся все связи. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель. Однако удельная теплоёмкость воды, в отличие от других веществ непостоянна: при нагреве от 0 до 35 градусов Цельсия её удельная теплоёмкость падает, в то время как других веществ она постоянна при изменении температуры. Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг) и парообразования (2250 кДж/кг).
Вода обладает также высоким поверхностным натяжением среди жидкостей, уступая в этом только ртути. Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.
По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.
Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.
Вода обладает отрицательным электрическим потенциалом поверхности.
Чистая (не содержащая примесей) вода — хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H3O+) и гидроксильных ионов HO− составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.
Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.
Основная электрическая характеристика любой среды - диэлектрическая проницаемость - в случае воды демонстрирует необычные для жидкости особенности. Во-первых, она очень велика, для статических электрических полей она равна 81, в то время как для большинства других веществ она не превышает значения 10. Если на любое вещество воздействовать переменным электрическим полем, то диэлектрическая проницаемость перестанет быть постоянной величиной, а зависит от частоты приложенного поля, сильно уменьшаясь для высокочастотных полей. Но диэлектрическая проницаемость воды уменьшается не только в переменных во времени полях, но также и в пространственно переменных полях, т.е. вода является нелокально поляризующейся средой.
Большое значение диэлектрической проницаемости объясняется особенностями молекулы H2O. Большая величина статической диэлектрической проницаемости воды ε =81 связана с тем, что вода - сильно полярная жидкость и поэтому обладает мягкой ориентационной степенью свободы (т.е. вращения молекулярных диполей). Каждая молекула воды обладает значительным дипольным моментом. В отсутствие электрического поля диполи ориентированы случайным образом, и суммарное электрическое поле, создаваемое ими, равно нулю. Если воду поместить в электрическое поле, то диполи начнут переориентироваться так, чтобы ослабить приложенное поле. Такая картина наблюдается и в любой другой полярной жидкости, но вода благодаря большому значению дипольного момента молекул H2O способна очень сильно (в 80 раз) ослабить внешнее поле. Так реагирует вода на внешнее электрическое поле, если приложенное поле постоянно по времени и слабо меняется (или вообще не меняется) в пространстве, заполняемом водой. В переменных электрических полях диэлектрическая проницаемость воды уменьшается с ростом частоты приложенного поля, достигая значения 4-5 для частот больше 1012 Гц. В 1929 г. П. Дебай предложил описывать реакцию воды на внешнее электрическое поле с помощью комплексной диэлектрической проницаемости:
ε(ω) = ε∞ + (εο - ε∞)/(1 + i ω τ)
где ω - частота внешнего электрического поля, i - мнимая единица, τ - характерное время релаксации, ε∞ ≈ 4÷5 - диэлектрическая проницаемость воды при максимально высокой частоте внешнего поля.
Хотя при выводе своей формулы Дебай использовал довольно искусственную модель структуры воды, это выражение хорошо соответствует экспериментальным данным. Как видим, с ростом частоты внешнего поля диэлектрическая проницаемость резко падает. Молекулярное объяснение этого явления довольно просто. Любые индивидуальные движения молекулы H2O сильно ограничены водородными связями. В переменных электрических полях молекулярные диполи стремятся отследить меняющееся поле. При небольших частотах это им удается. Однако по мере увеличения частоты ориентироваться становится все труднее и труднее. В конце концов диполи вообще перестают реагировать на внешнее поле. Диэлектрическая проницаемость теперь определяется лишь быстрым атомно-молекулярным механизмом перераспределения электрического заряда, который присущ всем веществам. Такие механизмы действуют в воде и в случае постоянных полей, но их вклад в общую величину диэлектрической проницаемости невелик, всего 4-5 единиц.
Если температура твердого тела повысилась до точки плавления или если жидкость достигла точки кипения, то наступает переходная фаза, как бы пауза, во время которой две фазы (твердая и жидкая или жидкая и газообразная) существуют одновременно. В течение этого промежутка времени, который продолжается до тех пор, пока твердое тело полностью не превратится в жидкость или жидкость в пар, поглощаемое тепло не вызывает никаких изменений в температуре тела. Это тепло называется скрытой теплотой, и его количество у различных веществ неодинаково. Скрытая теплота плавления, а также испарения, у воды необычайно велика; это обстоятельство имеет огромное значение для температуры поверхности земли. Употребляемое нами слово "скрытая" содержит уже некоторый намек на один физический закон, который необходимо подчеркнуть: тепло, поглощаемое водой, никуда не исчезает. Как известно, одним из основных законов природы является закон сохранения и превращения энергии. В самом общем виде этот закон формулируется так: энергия из одной формы переходит в другою (например, тепловая энергия может превращаться в механическую) не уничтожаясь; в замкнутой системе общее количество энергии остается постоянным. Этот закон подтверждается и приведенным нами случаем. Когда мы говорим, что вода обладает исключительной теплоемкостью, мы попросту констатируем, что вода как вещество может накопить больше тепловой энергии при меньшем движении атомов и молекул (а это как раз то, что измеряется температурой), чем любое другое широко распространенное вещество. Энергия остается на месте, в воде; она высвободится в виде тепла, когда температура окружающей среды понизится; в результате понижение температуры не будет таким резким. Вода, замерзая, отдает то же самое количество тепла, которое она поглощает при таянии льда. Мы знаем, что труднее переносить жаркую, но сырую погоду с температурой около 30°, чем сухую и ясную погоду с еще более высокой температурой. Причина этого двоякая: во-первых, наш пот, испаряясь, охлаждает нас, отнимая тепло с поверхности кожи и из окружающего воздуха, но он не может испаряться в насыщенной водяным паром атмосфере сырого дня; во-вторых, при конденсации водяного пара и превращении его в воду выделяется ровно столько тепла, сколько его было затрачено на испарение.
У воды самая высокая в мире минералов скрытая теплота испарения и скрытая теплота плавления. Чтобы выпарить воду из чайника, тепла потребуется в пять с половиной раз больше, чем для того, чтобы вскипятить его. Если бы не это ее свойство - даже в жару медленно испаряться, многие озера и реки летом пересыхали бы до дна. Для плавления льда нужно затратить большое количество теплоты. Скрытая теплота плавления (количество тепла, необходимое для расплавления 1 г льда при температуре 0°) составляет 79,4 кал. Вот почему весеннее таяние льда происходит медленно и спасает нас от больших половодий (хоть и не всегда).