Ci sono due diversi legami chimici presenti nell'acqua. I legami covalenti tra l'ossigeno e gli atomi di idrogeno risultano dalla condivisione degli elettroni. Questo è ciò che tiene insieme le molecole d'acqua stesse. Il legame idrogeno è il legame chimico tra le molecole d'acqua che tiene insieme la massa delle molecole. Una goccia d'acqua che cade è un gruppo di molecole d'acqua tenute insieme dai legami idrogeno tra le molecole.
I legami idrogeno sono relativamente deboli, ma poiché ce ne sono così tanti presenti nell'acqua, determinano in larga misura le sue proprietà chimiche. Questi legami sono principalmente le attrazioni elettriche tra atomi di idrogeno con carica positiva e atomi di ossigeno con carica negativa. Nell'acqua liquida le molecole d'acqua hanno energia sufficiente per farle vibrare e muoversi continuamente. I legami idrogeno si formano e si rompono costantemente, solo per formarsi ancora una volta. Se viene riscaldata una pentola d'acqua su una stufa, le molecole d'acqua si muovono più velocemente poiché assorbono più energia termica. Più caldo è il liquido, più le molecole si muovono. Quando le molecole assorbono energia sufficiente, quelle in superficie si liberano nella fase gassosa del vapore. Non c'è legame idrogeno nel vapore acqueo. Le molecole energizzate fluttuano in modo indipendente, ma quando si raffreddano perdono energia. Dopo la condensazione, le molecole d'acqua vengono attratte l'una dall'altra e i legami idrogeno si formano nuovamente nella fase liquida.
Il ghiaccio è una struttura ben definita, a differenza dell'acqua in fase liquida. Ogni molecola è circondata da quattro molecole d'acqua, che formano legami idrogeno. Quando le molecole di acqua polare formano cristalli di ghiaccio, devono orientarsi in una matrice come un reticolo tridimensionale. C'è meno energia e quindi meno libertà di vibrare o muoversi. Una volta che si dispongono in modo che le loro cariche attrattive e repulsive siano bilanciate, i legami idrogeno si stabiliscono in questo modo finché il ghiaccio non assorbe calore e si scioglie. Le molecole d'acqua nel ghiaccio non sono così vicine l'una all'altra come nell'acqua liquida. Poiché sono meno densi in questa fase solida, il ghiaccio galleggia nell'acqua.
Nelle molecole d'acqua l'atomo di ossigeno attrae gli elettroni carichi negativamente più fortemente dell'idrogeno. Ciò conferisce all'acqua una distribuzione asimmetrica della carica in modo che sia una molecola polare. Le molecole d'acqua hanno estremità cariche sia positivamente che negativamente. Questa polarità consente all'acqua di dissolvere molte sostanze che hanno anche polarità o una distribuzione non uniforme della carica. Quando un composto ionico o polare è esposto all'acqua, le molecole d'acqua lo circondano. Poiché le molecole d'acqua sono piccole, molte di esse possono circondare una molecola del soluto e formare legami idrogeno. A causa dell'attrazione, le molecole d'acqua possono separare le molecole di soluto in modo che il soluto si dissolva nell'acqua. L'acqua è il “solvente universale” perché dissolve più sostanze di qualsiasi altro liquido. Questa è una proprietà biologica molto importante.
La rete di legami idrogeno dell'acqua le conferisce una forte coesione e tensione superficiale. Questo è evidente se l'acqua viene fatta cadere sulla carta oleata. Le gocce d'acqua formeranno perline poiché la cera non è solubile. Questa attrazione creata dal legame idrogeno mantiene l'acqua in una fase liquida in un'ampia gamma di temperature. L'energia necessaria per rompere i legami idrogeno fa sì che l'acqua abbia un elevato calore di vaporizzazione, quindi è necessaria una grande quantità di energia per convertire l'acqua liquida nella sua fase gassosa, il vapore acqueo. Per questo motivo, l'evaporazione del sudore, che viene utilizzata come sistema di raffreddamento da molti mammiferi, è efficace perché a una grande quantità di calore deve essere rilasciata dal corpo di un animale per rompere i legami idrogeno tra l'acqua molecole.
L'acqua è una molecola versatile. Può legarsi con l'idrogeno a se stesso e anche a qualsiasi altra molecola a cui sono attaccati radicali OH o NH2. Questo è importante in molte reazioni biochimiche. Le sue proprietà hanno creato condizioni favorevoli alla vita su questo pianeta. È necessaria una grande quantità di calore per aumentare la temperatura dell'acqua di un grado. Ciò consente agli oceani di immagazzinare enormi quantità di calore e modera il clima terrestre. L'acqua si espande quando si congela, il che ha facilitato l'erosione e l'erosione delle strutture geologiche. Il fatto che il ghiaccio sia meno denso dell'acqua liquida consente al ghiaccio di galleggiare sugli stagni. Il livello più alto dell'acqua può congelare e proteggere molte forme di vita, che possono sopravvivere all'inverno più in profondità nell'acqua.