水の性質

水は、 20 °Cで4184 J/(kg·K) (25 °Cで 4182 J/(kg·K) ) という非常に高い比熱容量を持ち、これはすべての異種原子種の中で (アンモニアに次いで) 2番目に高い値です。また、高い蒸発熱(標準沸点で40.65 kJ/mol または 2257 kJ/kg) を持ち、これらはどちらも分子間の広範な水素結合の結果です。これらの特異な性質により、水は温度の大きな変動を緩衝することで地球の気候を穏やかにすることができます。1970年以降、気候システムに蓄積された追加エネルギーのほとんどは海洋に蓄積されています。^{[ 28 ]}      

水の融解エンタルピー（より一般的には潜熱として知られている）は、 0  °C で 333.55 kJ/kg です。氷を融解させるのに必要なエネルギーは、氷を -160  °C から融点まで温めるのに必要なエネルギー、または同じ量の水を約 80 °C 温めるのに必要なエネルギーと同じです。一般的な物質の中で、これより高いのはアンモニアだけです。この性質により、氷河や流氷 の氷は融解しにくくなります。機械式冷凍装置が登場する以前も以後も、氷は食品の腐敗を遅らせるために広く使われてきましたし、現在も使われています。

−10 °C における氷の比熱容量は 2030  J/(kg·K) ^{[ 29 ]}であり、100 °C における蒸気の比熱容量 は 2080  J/(kg·K) である。^{[ 30 ]}

水の密度は約 1 グラム/立方センチメートル (62 lb/cu ft) です。この関係はもともとグラムを定義するために使用されていました。^{[ 31 ]}密度は温度によって変化しますが、線形ではありません。温度が上昇すると、密度は3.98 °C (39.16 °F)でピークに達し、その後減少します。^{[ 32 ]}最初は増加しますが、これは珍しいことです。ほとんどの液体は熱膨張を起こし、密度は温度の関数として減少するだけです。0 °C (32 ° F)から3.98 °C (39.16 °F)までの水と他のいくつかの液体^{[ d ]}で観察される増加は、負の熱膨張と呼ばれます。通常の六角形の氷も液体の水より密度が低く、凍結すると水の密度は約 9% 減少します。^{[ 35 ] [ e ]}        

これらの特異な効果は、水素結合による水分子の高度に方向性のある結合によるものです。氷と低温の液体の水は、比較的低密度で低エネルギーの開放格子構造を持っています。0～4  ℃の範囲で温度が上昇して融解すると水素結合が切断され、格子空洞の一部が水分子で満たされる、より密な分子パッキングが可能になります。^{[ 32 ] [ 36 ]} しかし、4℃を超えると熱膨張が支配的な効果となり、 ^{[ 36 ]}沸点付近（100  ℃）の水は4 ℃（39 °F）の水よりも約4%密度が低くなります。^{[ 35 ] [ f ]}  

圧力が上昇すると、氷は液体の水よりも密度が高い他の多形体、例えば氷II、氷III、高密度非晶質氷（HDA）、超高密度非晶質氷（VHDA）などに変化する。^{[ 37 ] [ 38 ]}

氷の特異な密度曲線と、水よりも低い密度は、地球上の多くの生命にとって不可欠です。もし水が凝固点で最も密度が高くなると、冬には表面の冷却によって対流混合が起こります。0  °C に達すると、水は底から凍り始め、そこに生息するすべての生命が死滅します。^{[ 35 ]}さらに、水は（熱容量のため ）優れた断熱材であるため、凍結した湖の中には夏でも完全に解けないものもあります。^{[ 35 ]}実際には、密度曲線の逆転により、表面温度が 4  °C 未満では安定した層状構造が形成され、その上に浮かぶ氷の層が下の水を断熱するため、^{[ 39 ]}例えば、中央シベリアのバイカル湖でさえ、冬には厚さが約 1 m にしか凍結しません。一般的に、十分に深い湖では、底の温度は年間を通して約 4 °C (39 °F) で一定に保たれます (図を参照)。 ^{[ 35 ]}  

塩水の密度は、溶解した塩分濃度と温度に依存します。氷は海に浮かびます。そうでなければ、海は底から凍ってしまうでしょう。しかし、海の塩分濃度は凝固点を約 1.9  °C下げます^{[ 40 ]} (溶質を含む溶媒の凝固点降下による)、そして水の密度が最大となる温度を、以前の凝固点である 0  °C まで下げます。これが、海水では、より冷たい水が凝固点近くで冷えるにつれて膨張することで、下降対流が妨げられない理由です。凝固点近くの海の冷たい水は沈み続けます。そのため、北極海のような冷たい海の底に生息する生物は、一般的に、凍結した淡水 湖や川の底よりも4 °C 低い水温の海に生息しています。

塩水の表面が凍り始めると（通常の塩分濃度の海水 では-1.9 ℃ ^{[ 40 ]}）、形成される氷は実質的に塩分を含まず、淡水の氷とほぼ同じ密度になります。この氷は表面に浮かび、凍結して「溶け出した」塩分は、そのすぐ下の海水の塩分濃度と密度を高めます。これは塩水排出と呼ばれるプロセスです。この密度の高い塩水は対流によって沈み、置き換えられた海水も同じプロセスを受けます。これにより、表面には実質的に-1.9 ℃ ^{[ 40 ]}の淡水の氷が形成されます。形成される氷の下の海水の密度が増加すると、海水は海底に向かって沈みます。大規模なスケールでは、塩水排出と冷たい塩水の沈降のプロセスにより、極からそのような水を運び出す海流が形成され、熱塩循環と呼ばれる地球規模の海流システムにつながります。 

水は、エタノールを含む多くの液体とあらゆる割合で混和します。水とほとんどの油は混和せず、通常は上部から密度が高くなるにつれて層を形成します。これは極性を比較することで予測できます。水は比較的極性のある化合物であるため、エタノールやアセトンなどの極性の高い液体と混和する傾向がありますが、極性の低い化合物は炭化水素などと混和せず、溶解度も低くなります。

水蒸気は気体であるため、空気と完全に混和します。一方、特定の温度で液体（または固体）と熱力学的に安定な最大水蒸気圧は、大気圧全体に比べて比較的低くなっています。例えば、水蒸気の分圧が大気圧の2%で、空気が25  ℃から冷却されると、約22  ℃から水が凝結し始め、露点が定義され、霧や露が発生します。朝に霧が消えるのは、この逆の過程によるものです。例えば、熱いシャワーやお風呂を流すなどして室温で湿度を上げ、温度がほぼ一定に保たれると、水蒸気はすぐに相変化を起こす圧力に達し、微細な水滴（一般に蒸気と呼ばれる）として凝結します。

飽和ガス、つまり相対湿度100%のガスとは、空気中の水の蒸気圧が（液体の）水の蒸気圧と平衡状態にある状態を指します。飽和空気にさらされると、水（または十分に冷えた氷）は蒸発によって質量を失いません。空気中の水蒸気の量は少ないため、水蒸気による分圧と飽和分圧の比である相対湿度の方がはるかに有用です。相対湿度が100%を超える蒸気圧は過飽和と呼ばれ、例えば上昇気流で急激に上昇するなどして空気が急速に冷却された場合に発生する可能性があります。^{[ g ]}

水の圧縮率は圧力と温度の関数です。0  ℃、つまり圧力がゼロの極限では、圧縮率は5.1 × 10 ⁻¹⁰  Pa ⁻¹。ゼロ圧力限界では、圧縮率は最小値に達します。4.4 × 10 ⁻¹⁰  Pa ⁻¹付近で 45  °C まで低下し、その後温度上昇とともに再び上昇します。圧力が上昇すると圧縮率は低下し、 0  °C および100 メガパスカル (1,000 bar)で3.9 × 10 ⁻¹⁰ Pa ⁻¹。^{[ 41 ]} 

水の体積弾性率は約 2.2 GPa です。[  42 ^]非気体、特に水の圧縮率が低いため、非圧縮性であると仮定されることがよくあります。水の圧縮率が低いということは、圧力が 40 MPa である深海4 キロメートル (2.5マイル)でも体積の減少は 1.8% に過ぎないということです。^{[ 42 ]}  

氷の体積弾性率は、 0 K で 11.3 GPa 、273 Kで 8.6 GPa の範囲です。 ^{[ 43 ]}氷の圧縮率が温度の関数として大きく変化するのは、他の一般的な固体と比較して熱膨張係数が比較的大きいためです。  

通常の固体、液体、気体の水が平衡状態で共存する温度と圧力は、水の気液固三重点です。1954 年以来、この点は温度の基本単位であるケルビンを定義するために使用されてきましたが、^{[ 44 ] [ 45 ]} 2019 年以降、ケルビンは水の三重点ではなくボルツマン定数を使用して定義されるようになりました。^{[ 46 ]}

氷には多くの多形（形態）が存在するため、水には氷の3つの多形、または氷と液体の2つの多形が平衡状態にある他の三重点が存在する。 ^{[ 45 ]}ゲッティンゲンのグスタフ・タマンは20世紀初頭に他のいくつかの三重点に関するデータを作成した。カンブらは1960年代にさらに多くの三重点を記録した。^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}

氷の融点は標準気圧下で0 ℃（32 °F、273K）ですが、純粋な液体の水は、機械的に攪拌されなければ、その温度よりかなり低い温度まで過冷却しても凍結しません。約231K（-42℃、-44°F）の均一核生成点まで流体状態を維持できます。^{[ 51 ]}通常の六方晶氷の融点は、中程度の高圧下では、水素結合の安定化エネルギーが分子間反発によって超えられるため、0.0073 °C (0.0131 °F) / atm ^{[ h ]}または約0.5 °C (0.90 °F) /70 atm ^{[ i ] [ 52 ]}だけわずかに低下しますが、 209.9 MPa (2,072 atm)を超えると氷が多形に変化するため (氷の結晶状態を参照) 、融点は圧力とともに著しく上昇し、2.216 GPa (21,870 atm) (氷の三重点VII ^{[ 53 ]} )で355 K (82 °C)に達します。                

外因性イオンを含まない純水は優れた電気絶縁体ですが、「脱イオン」水でさえ完全にイオンを含まないわけではありません。水は液体状態で自己イオン化を起こし、2つの水分子が1つの水酸化物アニオン（OH⁻ ^{）を形成します。}）と1つのヒドロニウムカチオン（H₃ O ⁺) 自己イオン化のため、常温では純粋な液体水は半導体ゲルマニウムと同様の固有電荷キャリア濃度を持ち、半導体シリコンよりも3桁大きい固有電荷キャリア濃度を持つため、電荷キャリア濃度に基づいて、水は完全な誘電体または電気絶縁体とは考えられず、イオン電荷の限定的な導体であると考えられる。^{[ 54 ]}

水は非常に優れた溶媒であるため、ほとんどの場合、何らかの溶質、多くの場合塩が溶け込んでいます。水にそのような不純物がごくわずかでも含まれていると、イオンが電荷を行き来できるため、水ははるかに容易に電気を通すようになります。

水の理論上の最大電気抵抗率は、 25 °Cで約 18.2 MΩ·cm (182 kΩ ·m)であることが知られています。 ^{[ 55 ]}この数値は、例えば半導体製造工場で使用される逆浸透、限外ろ過、脱イオン化超純水で一般的に見られる値とよく一致しています。超純水であっても、塩や酸の汚染物質の濃度が 100 ppt を超えると、抵抗率が数 kΩ·m まで著しく低下し始めます。 

純水では、高感度機器を用いることで、25.00 °Cにおいて0.05501 ± 0.0001 μS / cmという非常に微弱な電気伝導率を検出できる。 ^{[ 55 ]}水は電気分解によって酸素ガスと水素ガスに分解することもできるが、溶解イオンが存在しない場合、電流がほとんど流れないため、このプロセスは非常に遅い。氷では、主要な電荷キャリアはプロトンである（プロトン伝導体を参照）。^{[ 56 ]}氷は以前は、1 × 10⁻⁶という小さいながらも測定可能な伝導率を持つと考えられていた。 ⁻¹⁰  S/cm だが、この導電率は現在ではほぼ完全に表面欠陥によるものと考えられており、それらがなければ氷は測定不可能なほど小さな導電率を持つ絶縁体である。 ^{[ 32 ]}

水分子は、水分子間の水素結合の集団的な作用により、互いに接近した状態（凝集力）を保っています。これらの水素結合は絶えず切断され、異なる水分子との間で新たな結合が形成されますが、液体の水のサンプルでは、​​どの時点においても、分子の大部分はこのような結合によって結びついています。^{[ 60 ]}

水は極性を持つため、高い接着性も持っています。清潔で滑らかなガラス上では、ガラスと水分子間の分子間力（接着力）が凝集力よりも強いため、水は薄い膜を形成することがあります。生物の細胞や細胞小器官では、水は親水性の膜やタンパク質表面と接触しています。つまり、水に強く引き付けられる表面です。アーヴィング・ラングミュアは、親水性表面間に強い反発力があることを観察しました。親水性表面を脱水するには、水和水の強い層を取り除くために、水和力と呼ばれるこれらの力に逆らって相当な仕事をする必要があります。これらの力は非常に大きいですが、1ナノメートル以下では急速に減少します。^{[ 61 ]}これらは生物学において重要であり、特に細胞が乾燥した雰囲気にさらされたり、細胞外で凍結したりして脱水される場合に重要です。^{[ 62 ]}

水は25 ℃で71.99 mN/mという異常に高い表面張力を持つ^{[ 63 ]。}これは水分子間の水素結合の強さによるものである^{[ 64 ]} 。これにより昆虫は水の上を歩くことができる^{[ 64 ] 。}  

水は強い凝集力と付着力を持つため、毛細管現象を示す。^{[ 65 ]}水素結合と付着力による強い凝集力により、樹木は水を100メートル以上上方に運ぶことができる。^{[ 64 ]}

水は誘電率が高いため、優れた溶媒です。 ^{[ 66 ]}水によく混ざり、溶ける物質は親水性（「水を好む」）物質として知られ、水によく混ざらない物質は疎水性（「水を嫌う」）物質として知られています。^{[ 67 ]}物質が水に溶ける能力は、その物質が水分子が他の水分子間に生み出す強い引力に匹敵するか、それを上回ることができるかどうかによって決まります。物質がこれらの強い分子間力を克服できない性質を持っている場合、分子は水から沈殿します。よくある誤解とは異なり、水と疎水性物質は「反発」せず、疎水性表面の水和は、エントロピー的には有利ではありませんが、エネルギー的には有利です。

イオン性化合物や極性化合物が水に入ると、水分子に囲まれます（水和）。水分子は比較的小さいため（約3オングストローム）、溶質分子1個を多数の水分子が取り囲むことができます。水分子の負に帯電した双極子端は溶質の正に帯電した成分に引き寄せられ、正に帯電した双極子端は正に​​帯電した成分に引き寄せられます。

一般的に、酸、アルコール、塩などのイオン性および極性物質は水に比較的溶けやすく、脂肪や油などの非極性物質は溶けにくい。非極性分子が水中でまとまって存在するのは、水分子同士が水素結合する方が、非極性分子とファンデルワールス力で相互作用するよりもエネルギー的に有利だからである。

イオン性溶質の例としては食塩が挙げられます。塩化ナトリウム（NaCl）はNa+とNa ^{+に分離します。陽}イオンとCl⁻陰イオンはそれぞれ水分子に囲まれています。そのため、イオンは結晶格子から容易に溶液中に運ばれます。非イオン性溶質の例としては、砂糖が挙げられます。水の双極子が砂糖分子の極性領域（OH基）と水素結合を形成し、砂糖が溶液中に運ばれることを可能にします。

水における量子トンネルダイナミクスは、1992年には既に報告されていた。当時、置換基である水モノマーの内部回転によって弱い水素結合を破壊し再生する運動が存在することが知られていた。^{[ 68 ]} 2016年3月18日、水六量体において量子トンネル効果によって水素結合が切断されることが報告された。以前に報告された水中のトンネル運動とは異なり、これは2つの水素結合の協調的な切断を伴うものであった。^{[ 69 ]}同年後半には、水分子の量子トンネル効果の発見が報告された。^{[ 70 ]}