Există două legături chimice diferite prezente în apă. Legăturile covalente dintre oxigenul și atomii de hidrogen rezultă din împărțirea electronilor. Acesta este cel care menține moleculele de apă în sine. Legătura de hidrogen este legătura chimică dintre moleculele de apă care menține masa moleculelor împreună. O picătură de apă care cade este un grup de molecule de apă ținute împreună de legăturile de hidrogen dintre molecule.
Legăturile de hidrogen sunt relativ slabe, dar din moment ce sunt atât de multe prezente în apă, ele determină proprietățile sale chimice într-o mare măsură. Aceste legături sunt în primul rând atracțiile electrice dintre atomii de hidrogen încărcați pozitiv și atomii de oxigen încărcați negativ. În apa lichidă, moleculele de apă au suficientă energie pentru a le menține vibrând și deplasându-se continuu. Legăturile de hidrogen se formează și se rup constant, pentru a se forma încă o dată. Dacă o tigaie de apă pe o sobă este încălzită, moleculele de apă se mișcă mai repede pe măsură ce absorb mai multă energie termică. Cu cât lichidul este mai fierbinte, cu atât moleculele se mișcă. Când moleculele absorb suficientă energie, cele de la suprafață se eliberează în faza gazoasă a aburului. Nu există legături de hidrogen în vaporii de apă. Moleculele energizate plutesc în mod independent, dar pe măsură ce se răcesc, pierd energia. La condensare, moleculele de apă sunt atrase una de cealaltă, iar legăturile de hidrogen se formează din nou în faza lichidă.
Gheața este o structură bine definită, spre deosebire de apa din faza lichidă. Fiecare moleculă este înconjurată de patru molecule de apă, care formează legături de hidrogen. Deoarece moleculele de apă polare formează cristale de gheață, ele trebuie să se orienteze într-o matrice ca un zăbrele tridimensionale. Există mai puțină energie și, prin urmare, mai puțină libertate de a vibra sau de a vă deplasa. Odată ce se aranjează astfel încât sarcinile lor atractive și respingătoare să fie echilibrate, legăturile de hidrogen se instalează în acest mod până când gheața absoarbe căldura și se topește. Moleculele de apă din gheață nu sunt ambalate la fel de strâns între ele ca și în apa lichidă. Deoarece sunt mai puțin dense în această fază solidă, gheața plutește în apă.
În moleculele de apă, atomul de oxigen atrage electronii încărcați negativ mai puternic decât hidrogenul. Acest lucru conferă apei o distribuție asimetrică a sarcinii, astfel încât să fie o moleculă polară. Moleculele de apă au atât capete încărcate pozitiv, cât și negativ. Această polaritate permite apei să dizolve multe substanțe care au, de asemenea, polaritate sau o distribuție inegală a sarcinii. Când un compus ionic sau polar este expus la apă, moleculele de apă îl înconjoară. Deoarece moleculele de apă sunt mici, multe dintre ele pot înconjura o moleculă a solutului și pot forma legături de hidrogen. Datorită atracției, moleculele de apă pot îndepărta moleculele solutului, astfel încât solutul să se dizolve în apă. Apa este „solventul universal” deoarece dizolvă mai multe substanțe decât orice alt lichid. Aceasta este o proprietate biologică foarte importantă.
Rețeaua de legături de hidrogen a apei îi conferă o puternică coeziune și tensiune superficială. Acest lucru este evident dacă apa este aruncată pe hârtie de ceară. Picăturile de apă vor forma margele, deoarece ceara nu este solubilă. Această atracție creată prin legarea hidrogenului menține apa într-o fază lichidă pe o gamă largă de temperaturi. Energia necesară pentru a sparge legăturile de hidrogen face ca apa să aibă o căldură mare de vaporizare, astfel încât este nevoie de o cantitate mare de energie pentru a transforma apa lichidă în faza sa gazoasă, vapori de apă. Din această cauză, evaporarea transpirației - care este utilizată ca sistem de răcire de multe mamifere - este eficientă deoarece o cantitate mare de căldură trebuie eliberată din corpul unui animal pentru a sparge legăturile de hidrogen dintre apă molecule.
Apa este o moleculă versatilă. Se poate lega hidrogen la sine și, de asemenea, la orice alte molecule care au atașați radicali OH sau NH2. Acest lucru este important în multe reacții biochimice. Proprietățile sale au făcut condiții favorabile vieții pe această planetă. Este necesară o cantitate mare de căldură pentru a crește temperatura apei cu un grad. Acest lucru permite oceanelor să stocheze cantități enorme de căldură și moderează clima pământului. Apa se extinde atunci când îngheață, ceea ce a facilitat degradarea și eroziunea structurilor geologice. Faptul că gheața este mai puțin densă decât apa lichidă permite gheața să plutească pe iazuri. Nivelul superior al apei poate îngheța și proteja multe forme de viață, care pot supraviețui iarna mai adânc în apă.