Le molecole polari che includono un atomo di idrogeno possono formare legami elettrostatici chiamati legami idrogeno. L'atomo di idrogeno è unico in quanto è costituito da un singolo elettrone attorno a un singolo protone. Quando l'elettrone è attratto dagli altri atomi della molecola, la carica positiva del protone esposto provoca la polarizzazione molecolare.
Questo meccanismo consente a tali molecole di formare forti legami idrogeno al di sopra dei legami covalenti e ionici che sono alla base della maggior parte dei composti. I legami idrogeno possono conferire ai composti proprietà speciali e possono rendere i materiali più stabili dei composti che non possono formare legami idrogeno.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
Le molecole polari che includono 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 dall'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 equamente. Ad esempio, in un legame peptidico non polare, gli elettroni sono condivisi equamente tra l'atomo di carbonio del gruppo carbonio-ossigeno carbonile e l'atomo di azoto del gruppo azoto-idrogeno ammidico.
Per le molecole polari, gli elettroni condivisi in un legame covalente tendono 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 carbonilico e l'atomo di idrogeno dell'ammide gruppo.
Le tipiche configurazioni di legame covalente accoppiano gli atomi che hanno diversi elettroni nel loro guscio esterno con quelli che necessitano dello stesso numero di elettroni per completare il loro guscio esterno. Gli atomi condividono gli elettroni extra dell'atomo precedente e ogni atomo ha un guscio di elettroni esterno completo a volte.
Spesso l'atomo che ha bisogno di elettroni in più per completare il suo guscio esterno attrae gli elettroni più fortemente dell'atomo che fornisce gli elettroni in più. In questo caso, gli elettroni non sono 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 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 trattenuto in modo relativamente lasco. Migra facilmente verso l'altro atomo del legame covalente, lasciando su un lato il singolo protone caricato positivamente dell'atomo di idrogeno.
Quando l'atomo di idrogeno perde il suo elettrone, può formare un forte legame elettrostatico perché, a differenza di altri atomi, non ha più elettroni che schermano 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 H2O, sono polarizzati e formano forti legami idrogeno. Il singolo atomo di ossigeno forma legami covalenti con i due atomi di idrogeno ma non condivide equamente gli elettroni. I due elettroni di idrogeno trascorrono la maggior parte del loro tempo con l'atomo di ossigeno, che si carica negativamente. I due atomi di idrogeno diventano protoni carichi positivamente e formano legami idrogeno con gli elettroni degli 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.