Два неспаренных электрона атома кислорода образуют две ковалентные поляр­ные связи 0-Н, две электронные пары ос­таются неподеленными. Это приводит к не­которой асимметрии расположения гибрид­ных орбиталей в пространстве. Электронная плотность связи ОН сильно смещена к более электроотрица­тельному атому кислорода, и ядро атома во­дорода (протон) почти лишается электрон­ного облака. Обладая ничтожно малыми раз­мерами, протон способен проникать в элек­тронные оболочки электроотрицательных атомов соседних молекул. Такую связь назы­вают водородной. Каждая молекула воды за счет двух электронных пар и двух атомов во­дорода образует четыре водородные связи. Энергия водородной связи в воде 25 кДж/моль. Прочность четырех водород­ных связей соизмерима с прочностью ковалентной связи. Все молекулы воды за счет водородных связей объединены в единый полимер. Ассоциация молекул, затрудняю­щая их отрыв друг от друга, и служит при­чиной аномально высоких температур плавления и кипения вод

Плотность льда меньше плотности воды, поэтому он не тонет. При плавлении льда разрушается лишь часть межмолекулярных связей, поэтому при температуре, близкой к 0 °С, жидкая вода содержит как остатки струк­туры льда, так и оторвавшиеся от них моле­кулы воды, которые размещаются в пустотах. Этим достигается более плотная упаковка молекул. Вследствие этого плотность воды в интервале от 0 до 4 °С повышается. При 4 °С плотность воды наибольшая.

Зависимость плотности воды от температуры.

Расстояние между атомами кислорода соседних молекул льда равно 0,276 нм. С повышением температуры вследствие тепло­вого движения молекул воды среднее рас­стояние между атомами кислорода увеличи­вается. При 15 °С оно достигает 0,290 нм, а при 83 °С — 0,305 нм. Плотность воды, соот­ветственно, понижается.

Это свойство воды очень важно для суще­ствования жизни на Земле. Зимой намерзаю­щий лед не тонет в воде. Полости придают льду высокие теплоизоляционные свойства. Подо льдом сохраняется постоянная темпе­ратура. При охлаждении водоемов ниже 4 °С более холодная вода как менее плотная ос­тается сверху и перемешивание слоев пре­кращается.

Имея структуру, сходную со строением кристаллической решетки алмаза, вода обла­дает свойствами твердых тел. Ничего стран­ного нет в том, что полноводные реки про­мывают глубокие ущелья или широкие доли­ны в крепчайших породах. Образовавшиеся за миллионы лет обширнейшие равнины на десятки километров в глубину состоят из осадочных пород — продукта работы древ­них рек.

При очень быстром ударе стальным бой­ком по тонкой струйке воды она рассыпает­ся на осколки, подобно стеклянной или квар­цевой палочке. Свойства воды как твердого тела широко используют в промышленности. Струя воды, вытекающая из небольшого от­верстия с большой скоростью (давление в водяной камере свыше 1000 атм), режет ка­мень или стальной лист.

Считается, что вода не сжимается. Одна­ко на глубине 10 км плотность морской воды на 4 % больше. Расчеты показывают, что если бы вода была совершенно несжи­маема, уровень океана поднялся бы на 30 м. В отличие от ковалентных водородные свя­зи при сильном сжатии (давлении) не раз­рушаются.

В отсутствие силы тяжести вода имеет форму шара, которую мы можем наблюдать при падении капель, а космонавты — в кос­мическом корабле. Сферическая форма воды связана с поверхностным натяжением, кото­рое обусловлено способностью молекул воды сцепляться (когезия). Это сцепление молекул вызвано водородными связями. Молекулы воды в поверхностном слое испы­тывают действие сил межмолекулярного притяжения только с одной стороны. Моле­кулы, находящиеся во внутренних слоях, ста­раются втянуть молекулы наружного слоя внутрь, и вследствие этого образуется упру­гая внешняя пленка, благодаря которой не­которые предметы (например, стальная иголка) могут лежать на поверхности воды, слегка ее прогибая. Многие насекомые (во­домерки, многохвостки и др.) легко скользят по поверхности воды. Маленькие улитки — прудовики и катушки — ползают по внутрен­ней стороне пленки, как по твердой поверх­ности, в поисках пищи. Поверхностное натяжение воды очень высокое — 0,073 Н/м при 20 °С. По прочности на разрыв струя воды не уступает стальной проволоке того же сечения.