Характеристика води як речовини

Молекула води несиметрична: три ядра утворюють рівнобедрений трикутник з двома ядрами водню в основі і ядром кисню в вершині. Атом кисню в молекулі води приєднує до себе два електрони, що від'єднались від атомів водню, і тим самим здобуває негативний заряд. У свою чергу, обидва атоми водню, позбавлені електронів, стають позитивно зарядженими протонами. Молекула води тому утворює електричний диполь.

Полярна будова води і виникаюче в воді електричне поле обумовлюють велику діелектричну проникність води - величину, що показує, у скільки разів сила взаємодії електричних зарядів зменшується у воді в порівнянні з силами їх взаємодії у вакуумі. Висока діелектрична проникність води зумовлює її велику іонізуючу здатність, тобто здатність розщеплювати молекули інших речовин, що обумовлює сильну дію води як розчинника.
Кожна молекула води, що володіє двома позитивними і двома негативними зарядами, здатна утворити чотири так звані водневі зв'язки, тобто з'єднання позитивно зарядженого ядра водню (протона), хімічно пов'язаного в одній молекулі, з негативно зарядженим атомом кисню, що належить іншій молекулі.

Водяна пара складається переважно з мономірних (одиночних) молекул води, тобто водневі зв'язки практично не реалізуються. У твердому стані (лід) будова води має високий ступінь впорядкування. У кристалах льоду молекули води становлять гексагональну систему з міцними водневими зв'язками. Така структура вельми пухка і, як іноді кажуть, "ажурна". Вода в рідкому стані займає проміжне положення між парою і льодом. У такій воді зберігаються елементи "льодоподібного" молекулярного каркаса, а його порожнечі частково заповнюються одиночними молекулами. Тому "упаковка" молекул у воді, що знаходиться в рідкому стані, більш щільна, ніж у льоду, і плавлення льоду призводить не до зменшення, а до "аномального" збільшення густини води.

Перехід від повністю впорядкованої пухкої молекулярної структури, властивої льоду, до більш щільної структурі, властивої воді в рідкому стані, не відбувається миттєво в процесі плавлення льоду, а продовжується і в рідкій воді. При підвищенні температури поряд зі згаданим ущільненням молекулярної структури відбувається і властиве всім речовинам збільшення об'єму води внаслідок зростання інтенсивності теплового руху молекул. У діапазоні підвищення температури від 0 до 4°С переважає процес ущільнення хімічно чистої води, при температурі вище 4°С - теплове розширення, тому вода має "аномальну" властивість - найбільшу густину не при температурі плавлення, а при 4°С.

Притаманні воді водневі зв'язки приблизно в десять разів міцніші зв'язків, обумовлених межмолекулярними взаємодіями, які характерні для більшості інших рідин. Тому для подолання цих зв'язків при плавленні, нагріванні і випаровуванні води необхідно набагато більше енергії, ніж у випадку інших рідин. Це визначає ряд "аномалій" теплових властивостей води.

Водень і кисень мають кілька природних ізотопів: 1Н ("звичайний" водень), 2Н, або D ("важкий" водень, або дейтерій), 3Н, або Т (радіоактивний "надважкий" водень, або тритій), 16O, 17O, 18O. Тому і сама вода має змінний ізотопний склад. Природна вода - це суміш вод різного ізотопного складу. Найбільш поширена вода, що складається з ізотопів 1Н і 16O, частка інших ізотопних видів води незначна - менше 0,27%. Одна з головних причин, що призводять до відмінності ізотопного складу природних вод, - процес випаровування. У результаті випаровування відбувається деяке збагачення води більш важкими ізотопами, а в результаті конденсації - більш легкими. Тому поверхневі води, що формуються атмосферними опадами, містять "важкого" водню (3Н) і "важкого" кисню (18O) менше, ніж океанічні води.

Воду з ізотопним складом 1Н216O називають «звичайної» водою і позначають просто Н2O, решта види води (крім 3Н20) називають «важкої» водою. Іноді «важкою» водою вважають лише дейтерієву воду 2Н2O (або D2O). Вода з ізотопним складом 3Н2O (або Т2O) - так звана "надважка" вода. Її на Землі знаходиться всього 13-20 кг. Відомості щодо фізичних властивостей у гідрології наводяться тільки до "звичайної" води.