Woda, będąc bardzo rozpowszechnioną substancją na Ziemi, posiada jednocześnie szereg szczególnych własności, których konsekwencje mają ogromny wpływ na życie na naszej planecie. Poniżej wymienimy niektóre z nich.

Budowa cząsteczek wody

Cząsteczka wody składa się z jednego atomu tlenu oraz dwóch atomów wodoru. Atomy wodoru znajdują się po jednej stronie atomu tlenu, a kąt między wiązaniami łączącymi atomy wodoru z atomem tlenu wynosi ok. 105°. Cząsteczka wody jako całość jest elektrycznie obojętna, ale chmura elektronów o ładunku ujemnym przesunięta jest w stronę atomu tlenu, co oznacza, że po stronie atomu tlenu gęstość ładunku całej cząsteczki jest ujemna, a po stronie atomów wodoru jest ona dodatnia. Cząsteczka wody zachowuje się zatem jak dipol elektryczny. Schematyczną budowę cząsteczki wody przedstawiono w lewej części Rys. 1.

Gdy cząsteczki wody znajdują się blisko siebie, zaczynają oddziaływać na siebie siłami elektrostatycznymi. Atomu wodoru z jednej cząsteczki przyciąga się z atomem tlenu sąsiedniej cząsteczki tworząc tzw. wiązanie wodorowe. Łączenie się sąsiadujących ze sobą cząsteczek wody przedstawiono schematycznie w prawej części Rys. 1.

Rys. 1.

Szczególne własności wody

Pierwszą ze szczególnych własności wody jest jej anomalna zależność gęstości od temperatury.
W przypadku większości substancji ich gęstość rośnie wraz ze zmniejszaniem się ich temperatury. W przypadku wody sytuacja jest identyczna od 100°C aż do 4°C. Jednakże, poniżej 4°C wiązania wodorowe sprawiają, że cząsteczki wody zaczynają tworzyć struktury, których objętość się zwiększa, wobec czego gęstość wody zaczyna maleć. Oznacza to, że woda charakteryzuje się największą gęstością w temperaturze 4°C. Co więcej, gęstość wody w momencie jej przemiany fazowej ze stanu ciekłego do stanu stałego (zamarzanie) skokowo maleje – to sprawia, że lód pływa po wodzie. Dzięki temu organizmy żywe w zbiornikach wodnych mogą przetrwać nawet srogą zimę, gdyż przy dnie gromadzi się woda o największej gęstości, której temperatura wynosi ok. 4°C.

Kolejną interesującą własnością wody jest jej relatywnie duże ciepło właściwe wynoszące , co jest wartością wielokrotnie większą niż w przypadku innych powszechnie występujących w przyrodzie cieczy oraz ciał stałych. Wynika to z faktu, że podczas ogrzewania wody, duża część dostarczanej do niej energii musi zostać przeznaczona na rozerwanie wiązań wodorowych. Dlatego też, przy dostarczeniu jednakowej ilości energii do jednakowej masy wody i np. skał, przyrost temperatury wody będzie znacznie mniejszy niż przyrost temperatury skał (ok. 4-krotnie mniejszy). Analogiczna sytuacja ma miejsce w przypadku ochładzania obu substancji. Zmniejszenie temperatury przy utracie takiej samej ilości energii jest w przypadku wody kilkukrotnie mniejsze niż w przypadku skał czy też gleby. Z tego powodu klimat w obszarach położonych przy dużych akwenach wodnych jest łagodniejszy – za dnia tereny te ogrzewają się wolniej niż te położone z dala od zbiorników wodnych, a nocą również wolniej się schładzają.

Następną ciekawą cechą wody będącą następstwem występowania pomiędzy jej cząsteczkami wiązań wodorowych oraz tym, że elektroujemność atomów tlenu jest stosunkowo duża, jest jej relatywnie wysoka temperatura wrzenia i topnienia. To z kolei sprawia, że woda jako jedyna substancja na Ziemi występuje naturalnie w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym (jako para wodna).