โครงสร้างสามมิติของโมเลกุลน้ำสามารถแสดงเป็นภาพจัตุรมุขที่มีศูนย์กลางนิวเคลียสของออกซิเจนและสี่ขาที่มีความน่าจะเป็นของอิเล็กตรอนสูง ซึ่งขาทั้งสองข้างนั้นเรียกว่านิวเคลียสของไฮโดรเจนออร์บิทัลพันธะ ตรงข้ามออร์บิทัลพันธะและมุ่งตรงไปยังมุม ตรงข้ามของจัตุรมุขคือประจุไฟฟ้า น้ำแข็ง ลบสองขา ที่เรียกกันว่าออร์บิทัล คู่เดี่ยวเหล่านี้เป็นกุญแจสู่พฤติกรรมที่แปลกประหลาดของน้ำ โดยพวกมันจะดึงดูดนิวเคลียสของไฮโดรเจนของ โมเลกุลของน้ำ ที่อยู่ติดกันเพื่อสร้างสิ่งที่เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน พันธะเหล่านี้ไม่แข็งแรงเป็นพิเศษ แต่เนื่องจากพวกมันปรับทิศทางโมเลกุลของน้ำให้มีรูปแบบเฉพาะ จึงส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติของน้ำในสถานะของแข็ง ของเหลว และก๊าซ