El agua es una sustancia común en la Tierra, pero tiene una estructura química única, que la convierte en un excelente disolvente para compuestos iónicos y sustancias capaces de formar puentes de hidrógeno. Si el agua no tuviera la capacidad de forman enlaces de hidrógeno, sería un gas a temperatura ambiente.
El agua tiene un calor específico elevado, ya que para elevar la temperatura del gas primero deben romperse muchos puentes de hidrógeno. Por ello, absorbe una gran cantidad de energía aumentando levemente la temperatura. Pero lo más interesante es que el agua puede proporcionar una gran cantidad de calor cuando disminuye levemente su temperatura. Esta propiedad es la razón de que los lagos y océanos moderan de manera eficaz el clima de las zonas circundantes al absorber calor en el verano y proporcionar calor en el invierno, únicamente con pequeños cambios en la temperatura.
Otra propiedad de suma importancia del agua es que su forma sólida es menos densa que su forma líquida, por ende, el hielo flota en el agua líquida. Y esto la hace diferente a las demás sustancias. Nuevamente esta característica se debe a la posibilidad de formar puentes de hidrógeno. En la molécula de agua, el átomo de oxígeno tiene un par de electrones libres o no compartidos, que le permiten formar don enlaces de hidrógeno con las molécula circundantes. Así, las moléculas de agua se enlazan en una extensa red tridimensional, donde cada átomo de oxígeno forma un tetraedro con cuatro átomos de hidrógeno (dos unidos por enlaces covalentes y dos por puentes de hidrógeno).
La estructura tridimensional ordenada del hielo evita que las moléculas se acerquen demasiado entre ellas. A medida que el hielo se calienta, varias moléculas tienen la energía suficiente para librarse de los enlaces de hidrógeno. Estas moléculas quedan atrapadas en la estructura tridimensional, y como resultado hay más moléculas por unidad de volumen. Con más calentamiento, más moléculas de agua se libran de los puentes de hidrógeno, de modo que la densidad del agua aumenta. Al mismo tiempo, el agua se expande por calentamiento, y su densidad disminuye. Estos procesos, el atrapamiento de moléculas de agua libres en la estructura y la expansión del fluido, actúan de manera opuesta. De 0°C a 4°C predomina el primer proceso, y el agua se vuelve más densa. Por encima de los 4°C, predomina el segundo proceso y la densidad del agua disminuye.
Pero la importancia de esta propiedad radica en el hecho de el hielo actúa como aislante térmico en los lagos y océanos. En los climas fríos, en donde el agua se congela, el hielo no se hunde y actúa como aislante térmico para el agua que queda debajo. Si el hielo fuera más denso, si iría al fondo del lago y el agua continuaría congelándose. El manto de hielo formado en la superficie de los lagos y océanos, protege a los organismos que habitan en ellos, que de otra manera no podrían sobrevivir a los climas fríos. Además, esta propiedad permite el particular deporte de pesca en lagos helados.