水是最常见的物质。水覆盖了大部分地球表面。水是生命的基础。人体的大部分由水组成。水的化学性质非常特别。水的分子式是H₂O。一个水分子由两个氢原子和一个氧原子构成。氢原子和氧原子通过共价键连接。氧原子的电负性比氢原子强。水分子中的电子偏向氧原子一端。水分子因此产生了极性。水分子的一端带部分正电荷，另一端带部分负电荷。水分子的极性带来了许多重要性质。

氢键是水的一种关键相互作用。一个水分子的氢原子被另一个水分子的氧原子吸引。这种吸引力就是氢键。氢键比共价键弱得多。氢键让水分子彼此连接。液态水中水分子通过氢键不断结合又分开。固态水即冰中氢键形成稳定网络。冰的结构比水更空旷。冰的密度比水小。冰能浮在水面上。这一现象对水生生物至关重要。冬天湖泊表面结冰，冰层保护了下方的水体。

水是一种优良的溶剂。水的极性使其能溶解许多物质。离子化合物在水中容易溶解。水分子包围正离子和负离子。正离子被水分子的氧端吸引。负离子被水分子的氢端吸引。这个过程叫做水合。食盐氯化钠在水中溶解就是例子。氯化钠晶体分解成钠离子和氯离子。水分子包围这些离子。氯化钠因此在水里消失。水也能溶解许多极性分子。糖和酒精都能溶于水。非极性物质如油不易溶于水。油和水会分开形成两层。

水的比热容很大。比热容是物质升高温度所需热量的度量。水的比热容很高。让一克水升高一摄氏度需要较多热量。水能吸收大量热而自身温度变化不大。海洋和湖泊调节气候就靠这个性质。夏天水体吸收热量，周围地区不会太热。冬天水体释放热量，周围地区不会太冷。水的蒸发热也很高。水变成水蒸气需要很多热量。人体出汗利用这个原理。汗水蒸发带走身体热量，人体因此感到凉爽。

水能发生电离。水分子可以分离成氢离子和氢氧根离子。这个反应是可逆的。纯水中氢离子浓度和氢氧根离子浓度相等。水的离子积常数是固定的。室温下这个常数等于十的负十四次方。酸性溶液中氢离子浓度大于氢氧根离子浓度。碱性溶液中氢氧根离子浓度大于氢离子浓度。pH值是氢离子浓度的负对数。pH等于七表示中性。pH小于七表示酸性。pH大于七表示碱性。水的电离平衡受温度影响。

化学反应中水扮演多种角色。水可以作为反应物。光合作用需要水。植物用水和二氧化碳制造葡萄糖。水分解产生氢气和氧气。这个反应需要能量输入。电解水利用电能实现这个分解。水也可以作为产物。氢气在氧气中燃烧生成水。这个反应释放大量能量。燃料电池利用这个反应发电。水还可以作为催化剂。有些反应在水存在下更容易进行。水分子帮助反应物接触和转化。

水参与酸碱反应。酸是能提供氢离子的物质。碱是能接受氢离子的物质。酸和碱在水中反应生成盐和水。盐酸和氢氧化钠反应生成氯化钠和水。这个反应叫做中和反应。中和反应释放热量。酸碱指示剂利用颜色变化显示pH改变。石蕊试纸遇酸变红，遇碱变蓝。酸碱滴定是定量分析的重要方法。滴定管逐滴加入酸或碱溶液。指示剂颜色突变指示反应终点。通过体积和浓度计算未知溶液的浓度。

水中的化学反应受浓度影响。溶液浓度表示溶质含量。摩尔浓度是常用单位。一升溶液中溶解的溶质摩尔数。浓度影响反应速率。反应物浓度高，反应往往更快。浓度影响化学平衡。平衡常数表示反应进行的程度。改变条件平衡会发生移动。勒夏特列原理描述这个现象。系统会抵消外界变化的影响。增加反应物浓度，平衡向产物方向移动。温度压力变化也会影响平衡。

水溶液中的氧化还原反应很重要。氧化是失去电子的过程。还原是得到电子的过程。氧化还原反应总是同时发生。金属在水中可能被氧化。铁生锈是常见例子。铁失去电子变成铁离子。氧气得到电子变成氢氧根离子。水提供了反应介质。电化学电池利用氧化还原反应产生电流。原电池中两个半反应分开进行。电子通过导线从阳极流向阴极。电解池则利用电流驱动非自发反应。

水污染涉及许多化学过程。工业废水含有有害物质。重金属离子如汞和铅毒性很强。这些离子进入水体难以去除。它们会在生物体内积累。有机污染物来自农药和化工产品。有些有机物难被自然降解。水体富营养化是另一个问题。含氮磷的废水促进藻类疯长。藻类死亡后被细菌分解。细菌消耗大量氧气。水中溶解氧下降，鱼类和其他生物死亡。

水质检测需要化学方法。测定水的pH值很重要。酸碱度影响水生生物生存。测定溶解氧含量是关键。鱼类需要足够氧气呼吸。化学需氧量表示水中有机物含量。高化学需氧量意味着严重污染。重金属离子可用原子吸收光谱检测。仪器测量特定波长的光吸收。色谱法分离和鉴定有机污染物。这些方法帮助评估水质安全。

水的净化依赖化学原理。沉淀除去悬浮颗粒。加入明矾等混凝剂使小颗粒聚集。过滤通过砂层去除杂质。消毒杀灭病原微生物。氯气是常用消毒剂。氯气与水反应生成次氯酸。次氯酸能破坏细菌结构。活性炭吸附去除异味和有机污染物。离子交换树脂去除钙镁离子。这个过程叫做软化水。反渗透用压力让水通过半透膜。盐分和杂质被截留，得到纯净水。

水的特殊性质与分子结构紧密相关。水分子是弯曲的。键角大约一百零四点五度。这个角度由电子排斥决定。水有三相：冰、水、水蒸气。相变伴随能量变化。冰融化需要吸收热量。水沸腾变成水蒸气需要更多热量。相图展示温度压力与物态的关系。水的三相点温度零点零一摄氏度，压力六百一十帕。临界温度三百七十四摄氏度，压力二十二兆帕。超过临界点液态和气态没有区别。

水在生物化学中必不可少。细胞内部大部分是水。生化反应在水溶液中进行。水是光合作用的反应物。水参与细胞呼吸过程。营养物质在水中运输。代谢废物通过水溶液排出。水维持蛋白质和核酸的结构。氢键帮助稳定生物大分子。酶在水环境中催化反应。没有水就没有生命活动。

水的化学研究推动技术进步。海水淡化解决缺水问题。蒸馏法加热海水，收集水蒸气。反渗透法用高压迫使水通过膜。催化剂促进水分解产氢。氢气是清洁能源。寻找高效廉价催化剂是研究热点。燃料电池汽车排放物只有水。水循环利用减少污染。化学方法处理废水保护环境。理解水的性质促进科学发展。

水是化学反应的重要介质。水分子参与许多反应机制。酸碱平衡、溶解沉淀、氧化还原都在水中发生。水的性质影响反应速率和方向。研究水的化学就是研究生命和环境的基础。水的简单分子隐藏复杂行为。日常生活中的水蕴含丰富化学原理。认识水就是认识世界的重要部分。