这其中一些反常性质与生命的发生和延续密切相关。比如，幸亏自然条件下结的冰比水轻，寒冷地区的水体才不会完全冻上，水中的生物才能熬过漫长的冬天；幸亏水的表面张力很大，相当多的小动物才可以生活在水面上；幸亏水的比热很大，赤道附近的水也不会被轻易烧开，因此水中生物避免了被自然煮熟的命运；又，幸亏冰雪的比热很大，北半球在雪后才不会迅速变成泽国。水之作为生命发生的前提，是由诸多反常物理性质促成的。

　　水有这么多独特的性质，这些性质反常是水科学研究的主题之一。非常令人沮丧的是，我们对水之反常性质的定量理解远远不足，对有些问题可能连定性的理解都未能达成一致。举个最简单的例子，水分子是极性分子，偶极矩很大，这使得水在电场下容易被极化而获得一定的刚性（图7）。那么，水分子的偶极矩多大呢？我们现有的数据竟然是在 1.85—2.3 Debye 之间。

　　图7. 水的极性演示。外加电压为11 kV。（江南摄）

　　3

　　复杂的相图

　　对一种物质的初步理解见于该物质的 p —T 相图。图8 是一般热力学教科书中简化的水的 p —T 相图，其气液固三相共存的点（TP）对应固定的气压和温度（T），这个温度 Tc=273.16 K 是绝对温标的唯一参考点。气液两相的分界线终结于处于（218 atm.，647 K）的临界点（CP），在此处右上角一定 p—T 范围内的水处于超临界状态，具有极大的且灵敏地依赖于 p—T 的溶解度。水的液固两相界限的斜率 dp/dT<0，这一点就已经异于大部分其它物质了[2]。重要的是，一般物质的液相和固相可能只有一种或者不多的几种不同结构，而水的结构却是出乎意料地复杂[3,4]。

　　图8. 简化的水相图

　　如果我们考虑冰的结构，并考察更高压力的区域，我们会得到如图9 中的相图。注意，在液固界限斜率 dp/dT<0 的部分，液体毗连的冰是 Ih 相的冰，这种结构的冰在（1 atm.，0 ℃） 附近的密度~0.9 g/cm3。这种能浮在水面上的冰是特例而不具普遍性（谢天谢地！）。在 0.4 GPa 以上部分的液固界限斜率 dp/dT >0。目前已知冰的晶体结构有15种之多。

　　图9. 水的相图，其中的固相为晶体。

　　不过，如果考虑到压力这个强度量还是极性的，即可正可负，注意到水会表现出不同结构的液相和非晶相，我们还可以得到水的无定形相的相图（图10）[5]。考虑到内容的复杂性，此处只做简单的介绍。水在零度以上的液相也存在液—液一阶相变。由于水存在过冷态，则水在摄氏零度以下也有液态。水可以坚持到－41 ℃才开始结冰，这即是水的均质形核温度 TH～232 K。更为惊悚的是，水在 Tx～150 K 以下的极冷区域也存在液态， 且这个液态，如同非晶固态，随着温度升高到一定温度时会自发结冰。这样，对于无定形态的水来说，因为自发结冰的现象，就存在一个温度上的无人区（no man's land）。如何把无定形态水的研究引入到无人区内，是水科学的一个难题。

　　图10. 水的无定形相的相图