Le molecole polari che includono un atomo di idrogeno possono formare legami elettrostatici chiamati legami di idrogeno. L'atomo di idrogeno è unico in quanto è costituito da un singolo elettrone attorno a un singolo protone. Quando l'elettrone viene attratto dagli altri atomi nella molecola, la carica positiva del protone esposto determina la polarizzazione molecolare.

Questo meccanismo consente a tali molecole di formare forti legami idrogeno oltre i legami covalenti e ionici che sono alla base della maggior parte dei composti. I legami idrogeno possono dare proprietà speciali ai composti e possono rendere i materiali più stabili rispetto ai composti che non possono formare legami idrogeno.

TL; DR (troppo lungo, non letto)

Le molecole polari che includere un atomo di idrogeno in un legame covalente hanno una carica negativa su un'estremità della molecola e una carica positiva sull'estremità opposta. Il singolo elettrone dell'atomo di idrogeno migra verso l'altro atomo legato in modo covalente, lasciando esposto il protone di idrogeno caricato positivamente. Il protone è attratto dall'estremità caricata negativamente di altre molecole, formando un legame elettrostatico con uno degli altri elettroni. Questo legame elettrostatico è chiamato legame idrogeno.

Come si formano le molecole polari

Nei legami covalenti, gli atomi condividono gli elettroni per formare un composto stabile. Nei legami covalenti non polari, gli elettroni sono condivisi allo stesso modo. Ad esempio, in un legame peptidico non polare, gli elettroni sono condivisi equamente tra l'atomo di carbonio del gruppo carbonile di carbonio-ossigeno e l'atomo di azoto del gruppo ammide-idrogeno-azoto.

Per le molecole polari, gli elettroni condivisi in un legame covalente tende a raccogliersi su un lato della molecola mentre l'altro lato si carica positivamente. Gli elettroni migrano perché uno degli atomi ha una maggiore affinità per gli elettroni rispetto agli altri atomi nel legame covalente. Ad esempio, mentre il legame peptidico stesso non è polare, la struttura della proteina associata è dovuta ai legami idrogeno tra l'atomo di ossigeno del gruppo carbonile e l'atomo di idrogeno del gruppo ammidico.

Tipico legame covalente configurazioni di coppie di atomi che hanno diversi elettroni nel loro guscio esterno con quelli che hanno bisogno dello stesso numero di elettroni per completare il loro guscio esterno. Gli atomi condividono gli elettroni in eccesso dall'atomo precedente, e ogni atomo ha un involucro di elettroni esterni completo per qualche tempo.

Spesso l'atomo che ha bisogno di elettroni supplementari per completare il suo guscio esterno attrae gli elettroni più fortemente del atomo che fornisce gli elettroni in più. In questo caso, gli elettroni non vengono condivisi in modo uniforme e trascorrono più tempo con l'atomo ricevente. Di conseguenza, l'atomo ricevente tende ad avere una carica negativa mentre l'atomo del donatore è caricato positivamente. Tali molecole sono polarizzate.

Come si formano i legami idrogeno

Le molecole che includono un atomo di idrogeno legato in modo covalente sono spesso polarizzate perché il singolo elettrone dell'atomo di idrogeno è relativamente blandamente tenuto. Migra facilmente verso l'altro atomo del legame covalente, lasciando il singolo protone caricato positivamente dell'atomo di idrogeno su un lato.

Quando l'atomo di idrogeno perde il suo elettrone, può formare un forte legame elettrostatico perché, a differenza altri atomi, non ha più alcun elettrone che scherma la carica positiva. Il protone è attratto dagli elettroni delle altre molecole, e il legame risultante è chiamato legame idrogeno.

Legami idrogeno nell'acqua

Le molecole d'acqua, con formula chimica H _{2O, sono polarizzati e formano forti legami di idrogeno. L'atomo di ossigeno singolo forma legami covalenti con i due atomi di idrogeno ma non condivide gli elettroni in modo uguale. I due elettroni di idrogeno trascorrono la maggior parte del loro tempo con l'atomo di ossigeno, che diventa carico negativamente. I due atomi di idrogeno diventano protoni caricati positivamente e formano legami di idrogeno con gli elettroni dagli atomi di ossigeno di altre molecole d'acqua.}

Poiché l'acqua forma questi legami extra tra le sue molecole, ha diverse proprietà insolite. L'acqua ha una tensione superficiale eccezionalmente forte, ha un punto di ebollizione insolitamente alto e richiede molta energia per passare dall'acqua liquida al vapore. Tali proprietà sono tipiche dei materiali per i quali le molecole polarizzate formano legami idrogeno.