ATP 之中，高能磷酸键的化学本质是磷酸的酸酐键（其他高能磷酸化合物之中还有其他类型的「高能磷酸键」，包括酰基磷酸如氨甲酸磷酸、烯醇磷酸酯如 PEP 等）。
所以，为什么 ATP 水解放能的原因，可以从反应物和生成物的（热力学）稳定性差异得到解释。
在此之前，我们可以先看一下与磷具有「对角线相似性」的碳。羧酸衍生物之中，酸酐是酰氧基和另一酰基的连接。然而，和焦磷酸，ATP 等磷酸衍生物不同，羧酸酐不仅热力学上具有较高能量，动力学上也是不稳定的，所以低级羧酸酐遇水即水解。相比羧酸酐，ATP 相对的动力学的稳定性可能来自其水溶液电离后，磷酸基所带之负电荷降低了中心磷原子的亲电性 (i.e. 受亲核试剂进攻之能力)，类似于很多磷酸一元和二元酯对碱的动力学稳定性：
现在，我们可以讨论最简单的具有磷酸酐结构的高能磷酸化合物焦磷酸 PPi 的水解。由于其水解所生成的是两个磷酸分子或其阴离子（电离状态取决于溶液 pH），我们不妨比较磷酸根和焦磷酸的结构之间的差异。
随着计算化学的发展，我们发现，第三周期 p 区元素成键的过程，并不需要如之前所假设那样的 3d 轨道参与。相比第二周期元素，为什么第三周期元素可以形成多氧/氟化合物的原因在于其更低的电负性和更大的半径。
下述两个链接所指向的回答和文章讨论了磷酸根的等电子体—硫酸根离子的结构。
如硫酸根那样，磷酸根之中 P-O 键的强度（进而，磷酸根的稳定性）来自 超共轭，而不是如第二周期含氧酸根的 共轭。而在焦磷酸或其盐之中，酸酐氧的孤对电子必须同时参与两端磷酰基的 超共轭。我的猜想是—不一定正确—在这种情况下，由于轨道重叠程度降低，相比单独的磷酸根离子，酸酐氧所形成的两个 P-O 键均被削弱。类似的，在三氧化硫通过酸酐键形成的寡聚体之中，酸酐氧也比端氧具有更长的 S-O 键。
这样，在焦磷酸或 ATP 的水解过程中，假设不同化学环境之中的 O-H 键能类似，总反应就是从两个更弱的键形成了两个更强的键，所以总体来说成键所释放的能量多于断键所吸收的能量。
以上。
