水素結合は化学の重要なトピックであり、私たちが日常的に相互作用する多くの物質、特に水の挙動を支えています。 水素結合とそれが存在する理由を理解することは、分子間結合と化学をより一般的に理解する上で重要なステップです。 水素結合は、最終的には特定の分子の一部の正味電荷の違いによって引き起こされます。 これらの荷電セクションは、同じ特性を持つ他の分子を引き付けます。
TL; DR（長すぎる; 読んでいない）
水素結合は、分子内の一部の原子が付随する原子よりも電子を引き付ける傾向があるために発生します。 これにより、分子に永続的な双極子モーメントが与えられ、極性になります。そのため、磁石のように機能し、他の極性分子の反対側の端を引き付けます。
電気陰性度と永久双極子モーメント
電気陰性度の特性は、最終的に水素結合を引き起こします。 原子が互いに共有結合している場合、それらは電子を共有します。 共有結合の完璧な例では、電子は等しく共有されるため、共有される電子は一方の原子ともう一方の原子のほぼ中間にあります。 ただし、これは、原子が電子を引き付けるのに等しく効果的である場合にのみ当てはまります。 結合電子を引き付ける原子の能力は電気陰性度として知られているので、電子が原子間で共有されている場合 同じ電気陰性度の場合、電子は平均してそれらのほぼ中間にあります（電子が移動するため） 継続的に）。
一方の原子がもう一方の原子よりも電気陰性度が高い場合、共有電子はその原子により近く引き付けられます。 ただし、電子は帯電しているため、一方の原子の周りにもう一方の原子よりも集まる傾向がある場合、これは分子の電荷のバランスに影響を与えます。 電気的に中性ではなく、電気陰性度の高い原子はわずかな正味の負電荷を獲得します。 逆に、電気陰性度の低い原子は、わずかに正の電荷になります。 この電荷の違いにより、永久双極子モーメントと呼ばれる分子が生成されます。これらはしばしば極性分子と呼ばれます。
水素結合のしくみ
極性分子は、その構造内に2つの荷電セクションを持っています。 磁石の正の端が別の磁石の負の端を引き付けるのと同じように、2つの極性分子の反対側の端は互いに引き付けることができます。 この現象は、水素が酸素、窒素、フッ素などの分子と結合することが多い分子よりも電気陰性度が低いため、水素結合と呼ばれます。 正味の正電荷を持つ分子の水素末端が酸素、窒素、フッ素、または別の電気陰性末端に近づくと、結果は分子-分子になります 結合（分子間結合）。これは、化学で遭遇する他のほとんどの結合形式とは異なり、さまざまな固有の特性のいくつかに関与します。 物質。
水素結合は、個々の分子をまとめる共有結合よりも約10分の1の強度です。 共有結合は多くのエネルギーを必要とするため切断されにくいですが、水素結合は比較的簡単に切断されるほど弱いです。 液体の中にはたくさんの分子がぶつかり合っており、このプロセスにより、エネルギーが十分なときに水素結合が切断されて再形成されます。 同様に、物質を加熱すると、事実上同じ理由でいくつかの水素結合が切断されます。
水中での水素結合
水（H2O）は実際の水素結合の良い例です。 酸素分子は水素よりも電気陰性度が高く、両方の水素原子が「v」字型の分子の同じ側にあります。 これにより、水素原子を持つ水分子の側に正味の正電荷が与えられ、酸素側に正味の負電荷が与えられます。 したがって、ある水分子の水素原子は、他の水分子の酸素側に結合します。
水中での水素結合に利用できる水素原子は2つあり、各酸素原子は他の2つのソースからの水素結合を「受け入れる」ことができます。 これにより、分子間結合が強力に保たれ、水がアンモニアよりも沸点が高い理由が説明されます（窒素は1つの水素結合しか受け入れることができません）。 水素結合は、氷が同じ質量の水よりも多くの体積を占める理由も説明します。水素結合は所定の位置に固定され、液体の場合よりも水に規則的な構造を与えます。