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水分子是由一个氧原子和两个氢原子通过共价键结合形成的化合物。水分子呈现V形结构，键角约为104.5度。由于氧原子的电负性比氢原子强，氧原子带部分负电荷，氢原子带部分正电荷，使得水分子具有极性特征。这种极性结构是氢键形成的重要基础。
氢键的形成需要满足特定条件。首先，氢原子必须与电负性强的原子如氧、氮或氟相连，使氢原子带部分正电荷。其次，另一个分子必须含有带孤对电子的原子。当这两个条件满足时，氢原子的部分正电荷与孤对电子之间产生静电吸引力，形成氢键。氢键的强度介于共价键和范德华力之间，是维持水分子间相互作用的重要力量。
在液态水中，水分子通过氢键形成复杂的三维网络结构。每个水分子平均可以与周围的3到4个水分子形成氢键。这种氢键网络具有高度的动态性，氢键不断地断裂和重新形成，整个网络结构在不断变化。氢键网络还表现出协同效应，一个氢键的变化会影响周围其他氢键的稳定性。温度的变化会显著影响氢键网络的结构，温度升高时网络变得松散，温度降低时网络更加紧密。
氢键对水的物理性质产生了深远影响。水的沸点为100摄氏度，比根据分子量预期的沸点高出约80度，这完全归功于氢键的存在。同样，水的熔点、比热容和表面张力都比同族化合物显著偏高。更有趣的是，冰的密度小于液态水，这种密度异常现象也是由氢键网络结构造成的。当温度升高时，氢键网络逐渐松散，这些特殊性质也会相应变化。正是这些由氢键带来的独特物理性质，使得水成为地球上生命存在的基础。
氢键在生物系统中具有极其重要的意义。在DNA双螺旋结构中，腺嘌呤与胸腺嘧啶之间形成两个氢键，鸟嘌呤与胞嘧啶之间形成三个氢键，这些氢键维持了DNA的稳定结构。在蛋白质中，氢键参与形成α螺旋和β折叠等二级结构，对蛋白质的正确折叠至关重要。酶的催化活性也依赖于氢键来识别和结合底物。此外，氢键还影响细胞膜的流动性，参与离子和分子的水合作用。可以说，氢键是生命分子结构和功能的重要基础。