1.为什么水呈液态？

如果水仅由互不相关并且随机冲撞的简单分子H2o所组成，那么水在常温常压下应该呈气态，然而水却是呈液态的。这是因为氢键在起作用。两串氢键分别将两个氢原子和一个氧原子结合起来，组成一个水分子。此时，由两个氢原子和一个氧原子组成的水分子与呈气态的氢和氧相比，自由程度减小。在这些分子还没有呈液态前，氢键的键合力是很强的，正因为如此它能够使水成为固态。只有在摄氏1000度的温度条件下，氢氧之间的键合力才能被克服。

氢的键合力不仅很强，而且还特别地反复无常。只有当水分子靠得很近，并且每个分子的三个原子排列得很整齐时，氢氧的键联才能够建立起来。另外，即使没有干扰，氢原子与氧原子的键联也会断裂。这是因为氢原子会绕着原子的轴发生振动。这种情况就好比大厅的自闭门，当人通过它时，自闭门会一开一关地运动。当氢原子与整个水分子的轴之间的角偏差达到大约为30度时，氢键就会断裂。在水分子中，60%至65%的氢键能保持完好，正因为如此，水才能够呈液态。

水分子是唯一的同时具有三种原始特性的分子：首先它有很多氢键；而且具有棱锥形体的结构，每个水分子与另外四个水分子相邻；再则水分子保持这种键联状态的时间很短暂，连1微微秒都不到。水分子的这三个特征足以能够解释很多的关于水的原始特性问题。

2. 为什么冰块浮在水面？

冰块浮在水面是因为冰的密度比水小。也就是说，同样质量的水，固态的体积比液态的体积要大。其中的原因还在于氢键。通常的液体变冷时，它们的分子间的距离靠得更近，最后，液体因体积缩小而使密度增大。过了融点以后，呈固态的水重新处于比液态水重的状态。但是，水的情况不同，这是因为存在氢键的缘故。冰块中的氢键排列很有秩序，冰块的分子结构比液态水有更多的空隙。实际上，一个冰的分子平均与4个分子相邻；而一个液态水的分子平均与4.5个分子相邻。最后的结果就是，同样质量的水，密度较小的固态冰内部的“体积"较大，这就是为什么冰块通常浮在水面上的原因。

但是我们不能说冰在任何状况下都是浮在水面的。在不同的压力和温度下，冰具有10种左右的形态。如果在10万个大气压力下，即便是远远高出摄氏零度的温度条件下，有些种类的冰仍能保持固态。

所有的冰都呈各种各样的晶状体；有些冰的密度甚至比水大，因此在高压条件下，它们具有流动性。此外，水还有另一种形态：既非固态，也非液态和气态。水的这种新的物态称作无定形态。只有两种无定形的水：比液态水轻的无定形水和比液态水重的无定形水。

3. 为什么水会浸湿物体？

我们观察到水会浸湿物体，但水的湿润性不如油，而比水银强。也就是说，当一滴水、一滴油和一滴水银这三种液体处在某一物体表面时，其展开方式是不同的。油展开的面积比水大，而水银则聚成一个在物体表面滚动的小球。三种液体各自的内部凝聚力与液体跟物体表面的相互作用力之间的竞争造成了三种液体的不同性能。三种液体的内部凝聚力倾向于缩小物体表面与空气的接触面，而液体与物体表面之间的相互作用力则倾向于增大物体表面与空气的接触面。水银分子中的氢键力要比水分子中强，而氢键力的强弱决定着分子的内部凝聚力的弱强。还有一种比分子间的相互作用力更强的力，即范德华力，它在油分子内部起作用。现在科学家能够控制所提及的那些作用力，能够改变水的性质，甚至能够得到不会浸湿物体的水。

2001年，法国的一个研究小组制造出了车轮形状或者花生形状的并且能够在物体表面弹起和落下的水珠。这种形态的水珠原先出现在地质学上。熔融石是陨石撞击地面后留下的残余，常常呈花生状，陨石撞击地面时迸出的熔融物质冷却后就成了熔融石。地质学家现在知道熔融石的特殊形状是与熔融石冷却时的转动有关。

该研究小组试图将改变了性质的水用于工业以及对物质表面进行超疏水性处理。例如，利用材料的超疏水性，水洗画上的灰尘，将涂有超疏水性涂料的材料制作伞面，制造出不会湿的车窗玻璃或者不会湿的浴室墙面等等。另有一些科学家试图研究出一种让水不会反弹的方法。法国高等师范学院和罗迪亚公司的统计物理实验室的研究人员发明了一种聚合物，将它与水混合，可以使水不具有反弹性。利用液体的这种性质，人们在向植物喷洒肥料时可以避免因液体反弹而造成的肥料浪费。

4.可以用量子学来研究水吗？

很明显，水是量子学研究的对象之一。这出于几方面的原因。首先，从物质的结构来看，所有的分子都是量子。门捷列夫元素周期表中原子的构成、各种原子周围电子云的形成或者使原子组成分子的化学键的性质，唯有量子力学能够描述。再看水分子，它的两个氢原子与一个氧的结合，其键角是104度，而不是180度，这也是水具有量子性质的一个结果；另外氧原子比氢原子“负性”更强，这也是产生氢键的原因。

最近美国新泽西州贝尔实验室的研究小组证实了另一个量子效应：将氢原子和氧原子结合成水分子的键合力不纯粹是静电力，其中还包括10%的共价键合力。也就是说，氧原子的电子和氢原子的电子处于氧原子和氢原子的当中，而不是严格地围绕各自的原子。这种不定位现象实际上就是分子的“古典”运动状态，但是对于分子间的键联，这种不定位现象不多见。

水的重要同位素——重水(每个氢原子上多出一个中子)是一种与普通水完全不同的物质。重水在摄氏4度冻结。重水进入人体，长期地看将是致命的，因为在原子层面上，重水的作用与普通水是不同的。与大多数具有化学毒性作用的毒物不同，重水能致人“量子死”。

5. 水有两相共存现象吗？

这个问题很新奇。水除了具有液态、固态和气态以外，还可以处于无定形状态。在某些条件下，处于无定形状态的水较轻，在另一些条件下，无定形状态的水又会重一些。

科学家试图通过实验探测到轻重两种无定形状态的水转换范围，很有可能在水的液态和气态之间的转换点上会出现两相共存现象。我们把烧水锅放到火炉上加热到沸腾，发现此时的水温保持恒定；呈液相和固相的水共存，然后，液相水一点点消失。无定形状态下的水也会出现两种形态的水共存的情况。也就是说，在摄氏零下135度至零下40度的条件下，水可能也有两种存在形式。

日本科学家修三岛(Osamu Mishima)和他的同事观察到了无定形相的水，并提出两种液态水混合的理论；而美国科学家克里斯 · 图尔克(Chris Tullk)完成了更深人的观察，并且否认了日本同行的理论。法国的科学家们不是通过低温而是用超声波把水“打碎”，以此来研究水泡。