Молекулы воды могут объединяться по две, по три и более пли образовывать более сложные комплексы (табл. 4).

Таблица 4. Процентное содержание различных ассоциированных молекул воды при разных температурах

Ассоциацией молекул могут быть объяснены и аномалии в свойствах воды. Взаимное притяжение ведет к тому, что средняя величина сложной молекулы воды в жидкой воде значительно больше, чем размеры одной молекулы воды. Такое необычное молекулярное строение обусловливает необычные физико-химические свойства воды.

Полагают, что при 0°С вода в значительной мере состоит из молекул (Н₂0)₃. При нагревании от 0 до 4° С утроенные молекулы распадаются с образованием молекул (Н₂0)₂, которые сообщают воде большую плотность. Дальнейшее нагревание ведет к распаду удвоенных молекул на простые, и плотность воды постепенно уменьшается. Но даже при 100° С вода и водяной пар содержат некоторое количество удвоенных молекул; поэтому плотность водяного пара при 100° С не вполне соответствует простейшей формуле Н₂0.

Вода представляет собой смесь различного рода молекул.

Это объясняется тем, что как водород, так и кислород имеют несколько изотопов. В природе существует три изотопа водорода: самый легкий водород - протий Н¹ с массой 1,007822 у. е. (углеродных единиц); тяжелый водород - дейтерий Н² (чаще обозначаемый символом Д)-2,0141 у. е.; сверхтяжелый водород - Н³, обычно называемый тритием и обозначаемый символом Т, с массой 3,017001 у. е.

В «обычной» воде водород почти нацело представлен протаем, который является самым распространенным в природе изотопом водорода. Кроме него, во всякой воде содержится дейтерий. Дейтерия в воде очень мало: на каждые 6700 атомов протия в среднем приходится только один атом дейтерия. Тритий радиоактивен. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излучения. Количество трития на Земле исчезающе мало - меньше 1 кг; несмотря на это его можно обнаружить в любой капле воды.

В природе найдены также три различных изотопа кислорода: больше всего легкого кислорода О¹⁶, значительно меньше тяжелого О¹⁸ и совсем мало кислорода О¹⁷. Соотношение их в природной смеси изотопов следующее: 2670:5:1. В кислороде окружающего нас воздуха на каждые 10 атомов О¹⁷ приходится 55 атомов О¹⁸ и более 26 000 атомов изотопа О¹⁶.

В состав молекулы воды могут входить различные изотопы водорода и кислорода. Поэтому обыкновенная природная вода - не просто Н₂0, а смесь различных молекулярных соединений - изотопов такого же состава с небольшим количеством различных ионов.

Теоретически различных вод из изотопов водорода и кислорода может быть образовано более 40, большей частью радиоактивных. Но девять таких вод стабильны и присутствуют в любой природной воде. К ним относятся: Н₂0¹⁶, Н₂0¹⁷, Н₂0¹⁸, НДО¹⁶, НДО¹⁷, НДО¹⁸, Д₂0¹⁶, Д₂0¹⁷, Д₂0¹⁸. Таким образом, природная вода является смесью различных видов молекул.

В науке и ядерной технике воду, соответствующую химическим формулам Д₂0¹⁶, Д₂0¹⁷ и Д₂0¹⁸, называют условно «тяжелой водой». Она содержит только дейтерий.

Итак, вода - это смесь девяти различных видов молекул, от количественного соотношения которых зависят все свойства воды, особенно ее плотность. Так, например, при 4° С плотность снеговой воды составляет 0,9999977, дождевой - 0,999999, речной - 1,0, а океанской воды-1,0000015 кг/л.

Изотопный состав различных природных вод многообразен. В реках тяжелой воды Д₂0¹⁶ содержится около 150 г на 1 г, а тяжелокислородной (Н₂0¹⁷ и Н₂0¹⁸ вместе) почти 1800 г на 1 т воды. В замкнутых озерах тяжелой воды больше, чем в питающих их ручьях; в Тихом океане тяжелой воды 165 г на 1 г; обогащены ею и отдельные ледники.