与同类化合物相比，水具有一系列异常特性，其中最主要的异常特性有水的密度、水的冰点和沸点、水的汽化热、水的熔化热、水的热容量、水的表面张力、水的粘滞性、水的介电常数和水的溶解能力等。
（一）水的密度
大家知道，一切物质受热时都增大自己的体积，即热胀冷缩，同时减小密度。水也具有这种性质，但是在0～4℃区间例外，此时随着温度的升高，水的体积并不是增加，而是缩小。4℃时水的密度最大（见图2-5）。因此，水的密度和温度之间的关系不是直线关系，而是曲线关系。这和大多数物质不一样，如水银-汞是随温度升高而密度减小呈直线关系（见图2-5）。
图2-5 水和汞的密度随温度变化图
将冰逐渐加热融化成0℃的水，这时结晶中的空隙由于水的侵入而被填充，使0℃水的密度比冰的密度（0℃冰的密度为0.9167g/cm3）迅速增大。但比较起来，此时水的分子空隙并不是完全填满的，其密度应为0.99987g/cm3。可在4℃时，水的空隙被依次填满了，此时的密度为最大，为1.0000g/cm3。而大于4℃的水则发生热膨胀，分子运动逐渐变得活跃起来，由4℃时的最大密度1g/cm3到100℃沸腾时体积增大，而密度逐渐减小4%，为0.95838g/cm3。这种水的密度异常特性，使得地球上密度较大的水位于湖底和海洋底部，水在受热和变冷时产生水中对流运动。
（二）水的冰点和沸点
在标准大气压下，水的冰点为0℃，沸点为100℃。不难看出，这是以水的物理特征为标准，进行温度的测定。
将化学元素周期表中ⅥA族元素的氢化物，如H2Te、H2Se、H2S与H2O相比较（见表2-1），结果发现水的冰点和沸点与其他3个化合物的普遍规律性不符合。其他3个化合物的相对分子质量越大，沸点和冰点就越高。假如水也符合此规律，那么水的冰点似乎应为-90～-120℃，沸点大约为-75～-100℃，而实际上则分别为0℃和100℃，相差甚远。
表2-1 水与周期表中第Ⅵ主族元素氢化物特性比较
①按照H2O在第Ⅵ主族元素氢化物中单一倾向的变化规律推算的数据。
②K为热力学温度，与摄氏温度的关为1K=1℃+273.15。
水沸腾时的温度与压力成直线关系，水的沸点随压力的增加而升高。水的这一性质曾被用在山地高程的确定上。沸点也随水中溶解物质含量的增加而升高。
压力和水的冰点之间存在着另一种奇异的关系：在2200个大气压以下（1个标准大气压为101.325kPa），随着压力增加冰点降低；越过2200个大气压以后，水的冰点随压力增加而升高；在3530个大气压下，水于-17℃结冰；在6380个大气压下冰点为0℃；在16500个大气压力下冰点为60℃；而在20670个大气压力下，水在76℃时才结冰。如果后两种情况存在，那么我们便可以得到热冰，但事实并不存在着这样温度和压力组合的情况，所以不会有热冰。
（三）水的汽化热
为保证液态水能在恒温下蒸发，需要向它提供足够的热量，以补偿由于高能水分子的逃逸所造成的损失，这份热量称为汽化热。任何液体蒸发时都需要吸收热量，但是水的汽化热特别高，这是水具有的突出特点。水的这种超乎寻常的汽化热，在日常生活和生产上有广泛用途。比如：食堂利用锅炉蒸汽来蒸饭，现代城市利用蒸汽来取暖、迅速加热空间，汽车和拖拉机则利用水来散热。汽化热在恒温下是一个常数，但当温度改变时，汽化热也随之发生变化（见表2-2）。
表2-2 水在不同温度下的汽化热
液态水变成气态的水蒸气，水分子本身的大小不变，但是，分子间的距离却大大地增加，体积发生惊人的变化。如1mol水，在1个大气压下，100℃时，体积约为18.8mL；当它变成水蒸气后，在同样条件下，体积增加到301000mL。也就是说，体积增大了16000倍。可以想像，利用蒸汽做功时，发挥的力量该是多大！
（四）水的熔化热（融解热）
水的熔化潜热很高，在0℃和一个标准大气压下，大约为333.69J/g，这是指水凝结成冰时放出的热量，或由冰熔化成液体水时需要吸收的热量。(www.xing528.com)
水的熔化潜热与一般物质相比，除了其值较高外（例如，纯铁的熔化“潜”热为25J/g，硫是39.8J/g，铅是23J/g），还有一个异常的特点：冰在一个大气压力下的温度，可以为-1～-7℃。看来好像是冰的温度越低，需要熔化它的热就越多，这个结论似乎是理所当然的。然而，事实却并非如此，冰在-7℃时，熔化潜热并不是333.69J/g，而是301.45J/g，这真是一个不容争辩的事实，也是出乎意料的异常特性。由于冰的单位热容量比水小，每当冰的温度降低1℃，其熔化热大约减少2J。
（五）水的热容量
在所有的液体和固体物质中，水具有最大的热容量。如水的生成热（-285.83kJ/mol）、汽化热（40.67kJ/mol）、熔化热（6.02kJ/mol）、摩尔热容［20℃时为75.2J/（mol·K）］均很大，沸点高达100℃，故热稳定性大，在2000K的高温下仅解离0.588%。其他非金属元素的氢化物常温常压下多为气体状态，而H2O呈液态。这对于维持地表温度不发生很大的涨落起着极为重要的作用。像海洋湖泊等大型的水体，白天吸收太阳能而贮存于水体中，夜晚温度降低后通过水分的缓慢蒸发而将储存的热量释放到大气中，所以地球就不像被岩石覆盖的月球表面那样存在着由-150～120℃巨大温差的变化。我国吐鲁番盆地的大陆性气候非常典型，夏季白天酷热如焚，温度高达47.8℃，可在日色西沉之后，降温异常显著，可以冷到0℃以下。“早穿皮袄午穿纱，围着火炉吃西瓜”便是一个生动的写照。
（六）水的表面张力
表面张力是水以及固体的边界分子联结、“集合”、缩小体积（内聚力）的一种能力。水的表面分子凝聚形成张力膜，若要破坏张力膜需要相当大的力。表面张力能使保险片和针等平放在水面上而不会沉入水下。18℃时水的表面张力是7.2×10-4J/cm2，在所有液体中仅次于水银（表面张力约为5.0×10-3J/cm2）而名列第二。水所具有的较强表面张力控制着土壤和植物中水分存在，可影响地球表层的自然地理现象，能使水在土壤微粒间的小空隙中长期存留，土壤靠此作用可以保持水分，并通过根细胞壁输送大量水分和营养。
水还有一个奇怪的性质，就是在细玻璃管（毛细管）中可以观察到“粘着性”（附着性）。毛细管中的水向上升，与引力（重力）相反。在与空气接触的边界层里，水分子的凝聚力同水使管壁湿润对管壁的“粘着”力相配合，结果，毛细管中便形成高于自然水面的凹形面。而具有更大表面张力的汞却没有粘着力，所以汞在毛细管中呈现凸形面。必须注意，水对油质管壁不粘着，比如水在内壁涂有石蜡的毛细管中的液面，像汞一样呈凸形，而不是凹形。
毛细常数的概念是指液体的上升高度与毛细管半径的乘积。纯水的毛细常数随温度的升高呈线性减小，而在达到极限时等于零。在土壤物理学上，水分的毛细管上升特性有着重要的实际意义，在15℃时，水的极限毛细上升高度，在粗砂中为0.2m，细砂中为1.2m，而在纯粘土中可达12m。上升持续的时间是：粗毛管为5～10d，细毛管为16个月。
（七）水的动力粘滞性（内摩擦力）
水在不同的容器中，会有不同的形状；若把水倒在地上，它就不能保持原来的形状而发生流动。这说明水不像固体那样保持固定的形状，而是很易变形的。从力学观点解释，固体能够承受一定的剪切力而不变形，而水则一受到剪切力就会变形，水的这种特性称为易流性。但是当水流内部发生相对运动时，各水层间便出现相对的切力（称为内摩擦力），并阻碍着水流内部的相对运动（即变形），这就是说，水具有在运动状态下抵抗剪切变形的能力，这就是水的粘滞性。反映水的粘滞性大小的系数称粘滞系数，其物理单位为帕［斯卡］秒（Pa·s）。
水的这个性质在通过孔隙介质（如沙）的渗透过程中有很大意义。矿化水，尤其是盐水，在相同温度下透过孔隙介质时，其粘滞性大大提高。0℃条件下，纯水的动力粘滞系数为178.9Pa·s，而100℃时只是28.2 Pa·s，少了约5/6。为比较起见，我们以汞的粘滞系数为例，0℃时为169Pa·s，100℃时为122Pa·s，仅仅减少了7%。水蒸气的粘滞系数，15℃时只有0.98Pa·s，比同温度下水的粘滞系数小得多，差了180倍。
水的粘滞性高和表面张力大，合起来的作用使农田水分流失较慢，无需经常灌溉；反之，如果水分流失较快，就需要经常灌溉。
（八）水的介电常数
水的介电常数特别大，约为80左右，是已知介电常数中最高的一个，这是由于水分子的偶极性强造成的，这个性质使水成为离子化合物的良好溶剂。可用下式表示电容与介
电常数的关系：
C=εC0
式中 C、C0——电极板之间有物质存在时或真空时电容器的电容；
ε——介电常数，在空气中为1.0006，在云母中为6.04，在CS2中为2.6左右。
（九）水的其他物理性质
水除了具有上述物理性质外，还有一些异常的物理特性。例如，水的导热性较其他液体小，在20℃时水的热导率为0.599W/（m·K），冰的热导率为2.26W/（m·K），雪的热导率与雪密度有关，当密度为0.1kg/L时，其热导率为0.029 W/（m·K）。水的压缩率很小，一般认为不可压缩。光在水中的传播速度为空气中的75%。水的折射率为1.33，所以在以空气为界面的情况下，光在水中可以产生全反射。纯水几乎是不导电的，但是天然水有微弱的导电性，含有离子杂质（盐类）的水则是良好的导体。
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