Molecula de apa este formata dintr-un atom de oxigen(dintre cei trei izotopi 16O, 17O, 18O) si doi atomi de hidrogen( dintre cei trei izotopi ai hidrogenului) legati de atomul de oxygen prin legaturi covalente, putand exista, teoretic, 18 specii moleculare de apa. In natura domina molecula rezultata din combinarea 16O cu 1H, continand in proportie de 1:6000 si apa grea(D2O), care are densitatea 1,1.
Cu ajutorul mecanicii cuantice s-a aratat ca legatura covalenta dintre atomul de oxigen si fiecare dintre atomii de hidrogen se realizeaza prin intrepatrunderea (contopirea) orbitalilor atomici pentru a forma un orbital molecular comun si anume: orbitalul electronului de pe nivelul 1s (adica cu numarul cuantic principal n=1 si ce orbital l=0) al hidrogenului, cu orbitalul electronului de pe subnivelul 2p(n=2, l=1) al oxigenului. Structura stabila corespunde unei intrepatrunderi maxime a acestor subnivele, care determina un unghi intre cele doua legaturi covalente de 105�, unghi care a fost determinat experimenta folosind metoda difractiei radiatiilor Roentgen. Prin aceeasi metoda de analiza structurala s-a determinat ca distanta dintre atomul de oxygen si fiecare dinte cei doi atomi de hidrogen este de 0,99 �.
Conceptia moderna despre structura apei concepe apa ca avand o structura cristalografica.Conform acestei conceptii, nucleu de oxigen s-ar gasi in centrul unui tetraedru, doua varfuri ale tetraedrului ar fi ocupate de cele doua nuclee de hidrogeniar in celelalte doua varfuri ar ar fi concentrate zonele cu electroni neparticipanti.Molecula de apa este asimetrica (polarizata). Centrul de greutate al sarcinilor positive(q) nu coincide cu centrul de greutate al sarcinilor negative (centrele fiind situate la distanta d) si de aceea molecula de apa este o molecula polara (un dipole electric).Dipolmomentul molecular (�=q*d) are valoarea 1,84 D(debye) pentru apa instare gazoasa, creste odata cu scaderea tempersturii, atingand valoarea de 2,5 D pentru apa in stare solida.
