Il legame con l'idrogeno è un argomento importante in chimica e sostiene il comportamento di molte delle sostanze con le quali interagiamo quotidianamente, in particolare l'acqua. Comprendere il legame dell'idrogeno e il motivo per cui esiste è un passo importante nella comprensione del legame e della chimica intermolecolari più in generale. Il legame all'idrogeno è causato in ultima analisi dalla differenza di carica elettrica netta in alcune parti di molecole specifiche. Queste sezioni cariche attraggono altre molecole con le stesse proprietà.

TL; DR (Troppo lungo, non letto)

Il legame all'idrogeno è causato dalla tendenza di alcuni atomi nelle molecole ad attrarre elettroni più del loro atomo di accompagnamento. Questo dà alla molecola un momento di dipolo permanente - lo rende polare - quindi agisce come un magnete e attrae l'estremità opposta di altre molecole polari.

Elettronegatività e momenti permanenti di dipolo

La proprietà di l'elettronegatività causa infine il legame con l'idrogeno. Quando gli atomi sono legati covalentemente l'uno all'altro, condividono gli elettroni. In un perfetto esempio di legame covalente, gli elettroni sono condivisi allo stesso modo, quindi gli elettroni condivisi sono circa a metà strada tra un atomo e l'altro. Tuttavia, questo è solo il caso in cui gli atomi sono ugualmente efficaci nell'attrarre elettroni. La capacità degli atomi di attrarre gli elettroni di legame è nota come elettronegatività, quindi se gli elettroni sono condivisi tra atomi con la stessa elettronegatività, allora gli elettroni sono in media circa a metà strada tra loro (perché gli elettroni si muovono continuamente).

Se un atomo è più elettronegativo dell'altro, gli elettroni condivisi sono più strettamente attratti da quell'atomo. Tuttavia, gli elettroni sono carichi, quindi se sono più inclini a radunarsi attorno a un atomo rispetto all'altro, ciò influenza il bilanciamento della carica della molecola. Piuttosto che essere elettricamente neutri, l'atomo più elettronegativo guadagna una leggera carica negativa netta. Viceversa, l'atomo meno elettronegativo finisce con una leggera carica positiva. Questa differenza di carica produce una molecola con quello che viene chiamato un momento di dipolo permanente, e queste sono spesso chiamate molecole polari.

Come funzionano i legami idrogeno

Le molecole polari hanno due sezioni cariche all'interno della loro struttura. Allo stesso modo in cui l'estremità positiva di un magnete attira l'estremità negativa di un altro magnete, le estremità opposte di due molecole polari possono attrarsi l'un l'altra. Questo fenomeno è chiamato legame all'idrogeno perché l'idrogeno è meno elettronegativo rispetto alle molecole che si lega spesso con ossigeno, azoto o fluoro. Quando l'estremità dell'idrogeno della molecola con una carica positiva netta si avvicina all'ossigeno, all'azoto, al fluoro o ad un'altra estremità elettronegativa, il risultato è un legame molecola-molecola (un legame intermolecolare), che è diverso dalla maggior parte delle altre forme di legame che si incontrano in chimica, ed è responsabile di alcune delle proprietà uniche di diverse sostanze.

I legami idrogeno sono circa 10 volte meno forti dei legami covalenti che tengono insieme le singole molecole. I legami covalenti sono difficili da spezzare perché fare ciò richiede molta energia, ma i legami idrogeno sono abbastanza deboli da essere rotti relativamente facilmente. In un liquido, ci sono molte molecole che si muovono intorno, e questo processo porta alla rottura e alla riformazione dei legami di idrogeno quando l'energia è sufficiente. Allo stesso modo, il riscaldamento della sostanza rompe alcuni legami di idrogeno per lo stesso motivo.

Legame idrogeno nell'acqua

L'acqua (H _{2O) è un buon esempio di legame dell'idrogeno in azione. La molecola di ossigeno è più elettronegativa dell'idrogeno e entrambi gli atomi di idrogeno si trovano sullo stesso lato della molecola in una "v". Questo dà al lato della molecola d'acqua con gli atomi di idrogeno una carica netta positiva e il lato dell'ossigeno una carica netta negativa. Gli atomi di idrogeno di una molecola d'acqua, quindi, si legano al lato dell'ossigeno di altre molecole d'acqua.}

Ci sono due atomi di idrogeno disponibili per il legame dell'idrogeno nell'acqua, e ogni atomo di ossigeno può "accettare" i legami idrogeno da due altre fonti. Ciò mantiene forte l'unione intermolecolare e spiega perché l'acqua ha un punto di ebollizione più alto dell'ammoniaca (dove l'azoto può solo accettare un legame idrogeno). Il legame con l'idrogeno spiega anche perché il ghiaccio occupa più volume della stessa massa d'acqua: i legami idrogeno si fissano sul posto e conferiscono all'acqua una struttura più regolare rispetto a quando è un liquido.