Физические свойства и строение В. Важнейшие физические константы В. приведены в табл. 1. О давлении насыщенного пара В. при разных температурах см. в ст. Пар водяной . О полиморфных модификациях В. в твёрдом состоянии см. в ст. Лёд . Тройная точка для В., где находятся в равновесии жидкая В., лёд и пар, лежит при температуре +0,01°С и давлении 6,03·10-3атм .
Многие физические свойства В. обнаруживают существенные аномалии. Как известно, свойства однотипных химических соединений у элементов, находящихся в одной и той же группе периодической системы Менделеева, изменяются закономерно. В ряду водородных соединений элементов VI группы (H2 Te, H2 Se, H2 S, H2 O) температуры плавления и кипения закономерно уменьшаются лишь у первых трёх; для В. эти температуры аномально высоки. Плотность В. в интервале 100—4°С нормально возрастает, как и у огромного большинства других жидкостей. Однако, достигнув максимального значения 1,0000 г/см3 при +3,98°С, при дальнейшем охлаждении уменьшается, а при замерзании скачкообразно падает, тогда как почти у всех остальных веществ кристаллизация сопровождается увеличением плотности. В. способна к значительному переохлаждению, т. е. может оставаться в жидком состоянии ниже температуры плавления (даже при —30°С). Удельная теплоёмкость, удельная теплота плавления и кипения В. аномально высоки по сравнению с другими веществами, причём удельная теплоёмкость В. минимальна при 40°С. Вязкость В. с ростом давления уменьшается, а не повышается, как следовало бы ожидать по аналогии с другими жидкостями. Сжимаемость В. крайне невелика, причём с ростом температуры уменьшается.
Табл. 1. — Физические свойства воды
| Свойство | Значение |
| Плотность, г/см3 | |
| лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 0,9168 (0°С) |
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 0,99987 (0°С) 1,0000 (3,98°С) 0,99823 (20°С) |
| пар насыщенный . . . . . . | 0,5977 кг/м3 (100°С) |
| Темп-ра плавления . . . . . | 0°С |
| Темп-ра кипения . . . . . . . | 100°С |
| Критич. темп-ра . . . . . . . . | 374,15°С |
| Критич. давление . . . . . . . | 218,53 кгс/см2 |
| Критич. плотность . . . . . . | 0,325 г/см3 |
| Теплота плавления . . . . . . | 79,7 кал/г |
| Теплота испарения . . . . . . | 539 кал/г (100°С) |
| Уд. теплопровод- ность, кал/(см·сек ·град ) | |
| лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 5,6·10-3 (0°С) |
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 1,43·10-3 (0°С) 1,54·10-3 (45°С) |
| пар насыщенный . . . . . . | 5,51·10-5 (100°С) |
| Уд. электропровод- ность, ом--1 ·см-1 | |
| лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 0,4·10-8 (0°С) |
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 1,47·10-8 (0°С) 4,41·10-8 (18°С) 18,9·10-8 (50°С) |
| Уд. теплоёмкость кал/(г ·град) | |
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 1,00 (15°С) |
| пар насыщенный . . . . . . | 0,487 (100°С) |
| Диэлектрическая про- ницаемость | |
| лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 74,6 (°С) |
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 81,0 (20°С) |
| пар насыщенный | 1,007 (145°С) |
| Вязкость, спз | |
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 1,7921 (0°С) 0,284 (100°С) |
| Поверхностное натя- жение жидкой во- ды на границе с воздухом, дин/см | 74,64 (0°С) 62,61 (80°С) |
| Показатель прелом- ления (D — линия натрия) . . . . . . . . . . . . . . | 1,33299 (20°С) |
| Скорость звука в во- де . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 1,496 м/сек (25°С) |
Примечание: 1 кал/(см ·сек ·град) = 418,68 вт/( м·К); 1 ом-–1 ·см-–1 = 100 сим/м ;
1 кал/(г ·град) =.4,186 кдж (кг ·К); 1 спз = 10—3н ·сек/м2 ; 1 дин/см = 10–3н/м.
Аномалии физических свойств В. связаны со структурой её молекулы и особенностями межмолекулярных взаимодействий в жидкой В. и льде. Три ядра в молекуле В. образуют равнобедренный треугольник с протонами в основании и кислородом в вершине (рис. 1 , а). Распределение электронной плотности в молекуле В. таково (рис. 1 , б, в), что создаются 4 полюса зарядов: 2 положительных, связанных с атомами водорода, и 2 отрицательных, связанных с электронными облаками необобществлённых пар электронов атома кислорода. Указанные 4 полюса зарядов располагаются в вершинах тетраэдра (рис. 1 , г). Благодаря этой полярности В. имеет высокий дипольный момент (1,86 D ), а четыре полюса зарядов позволяют каждой молекуле В. образовать четыре водородные связи с соседними (такими же) молекулами (например, в кристаллах льда).
Кристаллическая структура обычного льда гексагональная (рис. 2 ), она «рыхлая», в ней много «пустот». (При плотной «упаковке» молекул В. в кристаллах льда его плотность составляла бы около 1,6 г/см3 .) В жидкой В. присущая льду связь каждой молекулы H2 O с четырьмя соседними («ближний порядок») в значительной степени сохраняется; однако «рыхлость» структуры при плавлении льда уменьшается, молекулы «дальнего порядка» попадают в «пустоты», что ведёт к росту плотности В. При дальнейшем нагревании В. возрастает тепловое движение молекул, расстояние между ними увеличивается, т. е. происходит расширение В., которое начиная с +3,98°С уже преобладает, и поэтому далее с ростом температуры плотность В. уменьшается. Водородные связи примерно в 10 раз прочнее, чем связи, обусловленные межмолекулярными взаимодействиями, характерными для большинства других жидкостей; поэтому для плавления, испарения, нагревания В. необходима гораздо большая энергия, чем в случае других жидкостей, что объясняет отмеченные аномально высокие значения теплот плавления и испарения и удельной теплоёмкости. С повышением температуры водородные связи разрываются, однако определённое их число сохраняется даже при 100°С. Растворённая в органических растворителях В. состоит из образовавшихся за счёт водородных связей ассоциатов (H2 O)2 .
Вода как растворитель. В. — наиболее универсальный растворитель. Газы достаточно хорошо растворяются в В., если способны вступать с ней в химическое взаимодействие (аммиак, сероводород, сернистый газ, двуокись углерода). Прочие газы мало растворимы в В. При понижении давления и повышении температуры растворимость газов в В. уменьшается. Многие газы при низких температурах и повышенном давлении не только растворяются в В., но и образуют кристаллогидраты (аргон, криптон, ксенон, хлор, сероводород, углеводороды и др.). В частности, пропан при 10°С и 0,3 мн/м2 (3 кгс/см2 ) даёт кристаллогидрат C3 H8 ·17H2 O. При уменьшении давления такие гидраты распадаются. Кристаллогидраты многих газообразных веществ, образующиеся при низких температурах, содержат В. в «пустотах» своих кристаллов (так называемые клатраты, см. Соединения включения ).
В. — слабый электролит , диссоциирующий по уравнению:
причём количественной характеристикой электролитической диссоциации В. служит ионное произведение В.: Кв = [Н+ ] [ОН- ], где [Н+ ] и [ОН- ] — концентрация соответствующих ионов в г-ион/л ; Кв составляет 10-14 (22°С) и 72·10-14 (100°С), что соответствует усилению диссоциации В. с ростом температуры (см. также Водородный показатель ).