Existem duas ligações químicas diferentes presentes na água. As ligações covalentes entre os átomos de oxigênio e hidrogênio resultam do compartilhamento dos elétrons. É isso que mantém as próprias moléculas de água juntas. A ligação de hidrogênio é a ligação química entre as moléculas de água que mantém a massa das moléculas unidas. Uma gota de água que cai é um grupo de moléculas de água mantidas juntas pelas ligações de hidrogênio entre as moléculas.
As ligações de hidrogênio são relativamente fracas, mas como há muitas delas presentes na água, elas determinam em grande parte suas propriedades químicas. Essas ligações são principalmente as atrações elétricas entre átomos de hidrogênio carregados positivamente e átomos de oxigênio carregados negativamente. Na água líquida, as moléculas de água têm energia suficiente para mantê-las vibrando e se movendo continuamente. As ligações de hidrogênio estão constantemente se formando e se quebrando, apenas para se formarem novamente. Se uma panela com água em um fogão for aquecida, as moléculas de água se movem mais rápido, pois absorvem mais energia térmica. Quanto mais quente o líquido, mais as moléculas se movem. Quando as moléculas absorvem energia suficiente, aquelas na superfície se libertam na fase gasosa de vapor. Não há ligação de hidrogênio no vapor de água. As moléculas energizadas estão flutuando independentemente, mas à medida que esfriam, perdem energia. Após a condensação, as moléculas de água são atraídas umas pelas outras e as ligações de hidrogênio voltam a se formar na fase líquida.
O gelo é uma estrutura bem definida, ao contrário da água na fase líquida. Cada molécula é cercada por quatro moléculas de água, que formam ligações de hidrogênio. À medida que as moléculas de água polares formam cristais de gelo, elas devem se orientar em um arranjo como uma rede tridimensional. Há menos energia e, portanto, menos liberdade para vibrar ou se mover. Uma vez que se organizam de forma que suas cargas atrativas e repulsivas fiquem equilibradas, as ligações de hidrogênio se estabelecem dessa maneira até que o gelo absorva o calor e derreta. As moléculas de água no gelo não estão tão juntas quanto na água líquida. Por serem menos densos nesta fase sólida, o gelo flutua na água.
Nas moléculas de água, o átomo de oxigênio atrai os elétrons carregados negativamente com mais força do que o hidrogênio. Isso dá à água uma distribuição assimétrica de carga, de modo que é uma molécula polar. As moléculas de água têm extremidades carregadas positiva e negativamente. Essa polaridade permite que a água dissolva muitas substâncias que também têm polaridade ou uma distribuição desigual de carga. Quando um composto iônico ou polar é exposto à água, as moléculas de água o envolvem. Como as moléculas de água são pequenas, muitas delas podem envolver uma molécula do soluto e formar ligações de hidrogênio. Por causa da atração, as moléculas de água podem separar as moléculas de soluto para que o soluto se dissolva na água. A água é o “solvente universal” porque dissolve mais substâncias do que qualquer outro líquido. Esta é uma propriedade biológica muito importante.
A rede de ligações de hidrogênio da água confere-lhe uma forte coesão e tensão superficial. Isso é evidente se a água cair no papel de cera. As gotas de água formarão grânulos, pois a cera não é solúvel. Essa atração criada pelas ligações de hidrogênio mantém a água em uma fase líquida em uma ampla faixa de temperaturas. A energia necessária para quebrar as ligações de hidrogênio faz com que a água tenha um alto calor de vaporização, de modo que é necessária uma grande quantidade de energia para converter a água líquida em sua fase gasosa, o vapor d'água. Por causa disso, a evaporação do suor - que é usada como sistema de resfriamento por muitos mamíferos - é eficaz porque um grande quantidade de calor deve ser liberada do corpo de um animal para quebrar as ligações de hidrogênio entre a água moléculas.
A água é uma molécula versátil. Ele pode se ligar por hidrogênio a si mesmo e também a quaisquer outras moléculas que tenham radicais OH ou NH2 ligados a elas. Isso é importante em muitas reações bioquímicas. Suas propriedades criaram condições favoráveis para a vida neste planeta. Uma grande quantidade de calor é necessária para elevar a temperatura da água em um grau. Isso permite que os oceanos armazenem enormes quantidades de calor e modera o clima da Terra. A água se expande quando congela, o que facilitou o intemperismo e a erosão nas estruturas geológicas. O fato de o gelo ser menos denso que a água líquida permite que o gelo flutue nos lagos. O nível superior da água pode congelar e proteger muitas formas de vida, que podem sobreviver ao inverno nas profundezas da água.
