Il legame all'idrogeno è un argomento importante in chimica e sostiene il comportamento di molte delle sostanze con cui interagiamo quotidianamente, in particolare l'acqua. Comprendere il legame idrogeno e perché esiste è un passo importante nella comprensione del legame intermolecolare e della chimica in generale. Il legame all'idrogeno è in definitiva causato dalla differenza nella 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 - la rende polare - quindi si comporta come un magnete e attira l'estremità opposta di altre molecole polari.
Elettronegatività e momenti di dipolo permanenti

La proprietà dell'elettronegatività alla fine causa legame 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 equamente, quindi gli elettroni condivisi si trovano a circa metà strada tra un atomo e l'altro. Tuttavia, questo è solo il caso in cui gli atomi sono ugualmente efficaci nell'attirare 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 all'incirca a metà tra di 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 vengono caricati, quindi se sono più inclini a riunirsi attorno a un atomo rispetto all'altro, ciò influisce sull'equilibrio di carica della molecola. Invece di essere elettricamente neutro, l'atomo più elettronegativo guadagna una leggera carica negativa netta. Al contrario, 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 questi sono spesso chiamati molecole polari.
Come funzionano i legami a 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 attirarsi a vicenda. Questo fenomeno si chiama legame all'idrogeno perché l'idrogeno è meno elettronegativo delle molecole che spesso lega con ossigeno, azoto o fluoro. Quando l'estremità dell'idrogeno della molecola con una carica netta positiva 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 incontri 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 rompere perché farlo richiede molta energia, ma i legami a idrogeno sono abbastanza deboli da essere rotti relativamente facilmente. In un liquido, ci sono molte molecole che si agitano intorno e questo processo porta alla rottura e al riformamento dei legami a idrogeno quando l'energia è sufficiente. Allo stesso modo, il riscaldamento della sostanza rompe alcuni legami idrogeno per lo stesso motivo.
Legame idrogeno in acqua

L'acqua (H _{2O) è un buon esempio di legame idrogeno in azione. La molecola di ossigeno è più elettronegativa dell'idrogeno, ed entrambi gli atomi di idrogeno si trovano sullo stesso lato della molecola in una formazione "v". Ciò conferisce una carica netta positiva al lato della molecola d'acqua con gli atomi di idrogeno e una carica netta negativa al lato dell'ossigeno. 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 idrogeno nell'acqua e ogni atomo di ossigeno può "accettare" legami idrogeno da due altre fonti. Ciò mantiene forte il legame intermolecolare e spiega perché l'acqua ha un punto di ebollizione più alto rispetto all'ammoniaca (dove l'azoto può accettare solo un legame idrogeno). Il legame idrogeno spiega anche perché il ghiaccio occupa più volume della stessa massa d'acqua: i legami idrogeno si fissano sul posto e danno all'acqua una struttura più regolare rispetto a quando è un liquido.