水分子间通过氢键相互形成分子团
水其实并不简单给你一个极干净的杯子，里边装了一杯极纯净的水，杯子里会全是H₂O分子吗？并不。在任何一杯液态水里，都会存在着自由电离的氢离子和氢氧根离子。
它会体现出这样的电离平衡：H₂O <==> H⁺ OH⁻
或者： H₂O H₂O <==> H₃O⁺ OH⁻
在这里“H₃O⁺”被称为水合氢离子，事实上水合氢离子常常体现为 H9O4⁺，这意味着氢离子和氢氧根离子在液态水中与H₂O分子共存，并且随时*、不断变换自己的身份。
纯水中氢离子物质的量浓度为10⁻⁷mol/L，看起来不多，但很重要。
水合氢离子H₃O⁺的球棒模型
因为分子间氢键的作用，H₂O分子会结合成更大的聚合物，当一个携带正电荷的氢离子附着在一个聚合物簇的一点上时，就可以诱导电荷在簇间的协同转移，在某个遥远的点释放一个氢离子。其结果是电荷从一个点转移到另一个点，而不需要携带它的物质转移。水就是通过这种方式导电的。
水的物理特性与水分子间的氢键有很大关系一个大气压下，当水的温度在0℃~3.98℃时，水中大多是两个H₂O或三个H₂O分子抱成团，形成（H₂O）2和（H₂O）3缔合分子，这时候水分子间的距离最近，水的密度最大；
温度升高，缔合分子越来越少，水开始膨胀；当温度上升到100℃，水分子间的氢键断开，单个的水分子变成水蒸气；
而温度降低到0℃以下时，水开始结冰，所有的H₂O分子会聚合成一个巨大的分子团，由于水分子力场的关系，氧原子会与附近两个水分子的氢原子结成氢键，这种晶体结构造成更大的空隙，使体积膨胀。这就是冰的密度比水低、会浮在水面的原因。
水在固态与液态的分子排列
当达到374℃的临界温度和22.1MPa的临界压力时，水会呈现气体与液体完全交融的超临界状态，此时的水会显示出极强的氧化能力，它甚至可以跟王水一样腐蚀黄金。与水的其它物理化学性质一样，水的超临界性质也不是单个H₂O分子所能具备的，它与水分子的力场以及分子间的氢键组合方式密切相关。
水分子力的模型及力点分布
重水氢有三种核素，分别是氕、氘和氚。我们最常见的氢就是氕，它的原子核中仅有一个质子；氕的同位素氘，其原子核中有一个质子和一个中子，它比氢重一倍；氚的原子核有一个质子和两个中子。
重水和普通水一样，也是由氢的核素氘与氧化合而成的液体化合物。因为重水可以降低中子的速率，所以它作为中子的减速剂被广泛用于核反应堆中。
