Ikatan hidrogen terbentuk ketika ujung positif dari satu molekul tertarik ke ujung negatif yang lain. Konsepnya mirip dengan gaya tarik magnet di mana kutub yang berlawanan menarik. Hidrogen memiliki satu proton dan satu elektron. Hal ini membuat hidrogen menjadi atom elektrik positif karena memiliki kekurangan elektron. Ia berusaha menambahkan elektron lain ke kulit energinya untuk menstabilkannya.
Dua istilah penting dalam memahami bagaimana ikatan hidrogen terbentuk: elektronegativitas dan dipol. Keelektronegatifan adalah ukuran kecenderungan atom untuk menarik elektron ke dirinya sendiri untuk membentuk ikatan. Dipol adalah pemisahan muatan positif dan negatif dalam suatu molekul. Interaksi dipol-dipol adalah gaya tarik menarik antara ujung positif dari satu molekul polar dan ujung negatif dari molekul polar lainnya.
Hidrogen paling sering tertarik pada elemen yang lebih elektronegatif daripada dirinya sendiri, seperti fluor, karbon, nitrogen, atau oksigen. Sebuah dipol terbentuk dalam sebuah molekul ketika hidrogen mempertahankan ujung muatan yang lebih positif sementara elektron ditarik ke arah unsur elektronegatif di mana muatan negatif akan lebih pekat.
Ikatan hidrogen lebih lemah daripada ikatan kovalen atau ionik karena mereka mudah terbentuk dan putus dalam kondisi biologis. Molekul yang memiliki ikatan kovalen non-polar tidak membentuk ikatan hidrogen. Tetapi senyawa apa pun yang memiliki ikatan kovalen polar dapat membentuk ikatan hidrogen.
Pembentukan ikatan hidrogen penting dalam sistem biologis karena ikatan menstabilkan dan menentukan struktur dan bentuk makromolekul besar seperti asam nukleat dan protein. Jenis ikatan ini terjadi dalam struktur biologis, seperti DNA dan RNA. Ikatan ini sangat penting dalam air karena ini adalah gaya yang ada di antara molekul air untuk menyatukannya.
Baik sebagai es cair maupun padat, pembentukan ikatan hidrogen antara molekul air memberikan gaya tarik menarik untuk menyatukan massa molekul. Ikatan hidrogen antarmolekul bertanggung jawab atas titik didih air yang tinggi karena meningkatkan jumlah energi yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan sebelum perebusan dapat dimulai. Ikatan hidrogen memaksa molekul air untuk membentuk kristal ketika membeku. Karena ujung positif dan negatif dari molekul air harus menyesuaikan diri dalam susunan yang memungkinkan ujung positif untuk menarik ujung negatif dari molekul, kisi atau kerangka kristal es tidak seketat bentuk cair dan memungkinkan es mengapung di air.
Struktur 3-D protein sangat penting dalam reaksi biologis seperti yang melibatkan enzim di mana bentuk satu atau lebih protein harus sesuai dengan bukaan enzim seperti gembok dan anak kunci mekanisme. Ikatan hidrogen memungkinkan protein ini untuk menekuk, melipat dan menyesuaikan ke dalam berbagai bentuk yang diperlukan yang menentukan aktivitas biologis protein. Ini sangat penting dalam DNA karena pembentukan ikatan hidrogen memungkinkan molekul untuk mengasumsikan pembentukan heliks ganda.