Коротко — всё «аномальное» в воде проистекает из электронной структуры молекулы (полярные O–H связи и неподелённые электронные пары кислорода) и из-за того, что эти признаки дают сильную, направленную и частично ковалентную водородную связь (H‑связь) между молекулами. Далее по пунктам.

Что даёт электронная структура

Кислород более электроотрицателен, чем водород → O–H связь сильно полярна: на O появляется δ−, на H — δ+. У O две неподелённые (lone) пары; геометрия приблизительно sp3 (угол ~104.5°) → молекула асимметрична и имеет большой дипольный момент. Полярность и lone‑пары позволяют каждому H‑атому одного молекулы притягиваться к lone‑паре O другой — формируется водородная связь. H‑связь сильнее ван‑дер‑Ваальса, но слабее ковалентной (порядка 10–30 кДж/моль). Она направленная (предпочтительно почти линейная O–H···O) и обладает частичной ковалентной природой (чуть-чуть переноса электронной плотности n(O) → σ*(O–H)).

Почему высокая удельная теплоёмкость

Водородные связи образуют большую сеть связей, которые нужно «перестраивать» при нагреве. Поглощение тепла идёт не только на увеличение кинетической энергии молекул (традиционные поступательные/вращательные/вибрационные степени свободы), но и на разрушение/изменение H‑связей и на изменение поляризации и длины O–H связей. Частичная ковалентная компонента H‑связи делает энергозатраты на её ослабление/перестройку значительными на молекулярном уровне → требуется большая энергия для повышения температуры. Поэтому вода имеет очень высокую удельную теплоёмкость (~4.18 J·g−1·K−1).

Почему высокое поверхностное натяжение

На поверхности молекулы теряют часть своих возможных H‑связей (они «незавершённые»), поэтому оставшиеся внутримолекулярные/межмолекулярные силы притягивают молекулы вглубь, уменьшая площадь поверхности. Сильные и направленные H‑связи обеспечивают большую когезию между молекулами в толще жидкости, что выражается в высокой энергоёмкости создания новой поверхности — т.е. большом поверхностном натяжении (≈72 mN/m при 20 °C).

Почему лёд легче, чем жидкая вода (аномальная плотность)

В кристаллическом льду (Ih) каждая молекула участвует примерно в четырёх H‑связях в тетраэдрической сетке: два H выступают донорами, две lone‑пары — акцепторами. Это даёт открытый, «пустотистый» шестигранный каркас, где среднее расстояние O–O больше, чем в плотной упаковке. Вследствие этого плотность льда ≈0.917 g/cm3 — меньше плотности воды. В жидкой воде сеть H‑связей частично разрушается и переупорядочивается; появляется больше гибридных, неглубоко-тетраэдрических конфигураций, молекулы могут сближаться и заполнять пустоты, поэтому при плавлении вода уплотняется (плотность жидкости выше плотности льда). При дальнейшем нагреве тепловое расширение преобладает и плотность снова падает — поэтому максимальная плотность воды при ~4 °C.Квантово‑электронная деталь: образование/разрушение H‑связей сопровождается перераспределением электронной плотности и изменением длин O–H (H‑связь удлиняет и ослабляет связанный O–H). Это влияет на среднее расстояние между молекулами и на макроскопическую упаковку.

Короткое резюме

Электронная структура (полярные O–H и lone‑пары O) порождает сильные, направленные водородные связи. H‑связи делают сеть воды упорядоченной, энергоёмкой в перестройке и очень когезивной → высокая теплоёмкость и большое поверхностное натяжение. В кристалле H‑связи задают тетраэдрическую, разреженную структуру, поэтому лёд менее плотен, чем жидкая вода, где часть H‑связей разрушена и молекулы могут плотнее «упаковаться».

Если хотите, могу показать схему электронных пар и H‑связей, привести численные значения энергий и распределений числа H‑связей в жидкой воде при разной температуре.