A ligação de hidrogênio é um tópico importante na química e sustenta o comportamento de muitas das substâncias com as quais interagimos diariamente, principalmente a água. Compreender a ligação de hidrogênio e por que ela existe é um passo importante para entender a ligação intermolecular e a química de maneira mais geral. A ligação do hidrogênio é causada, em última instância, pela diferença na carga elétrica líquida em algumas partes de moléculas específicas. Essas seções carregadas atraem outras moléculas com as mesmas propriedades.

TL; DR (muito longo; não leu)

A ligação de hidrogênio é causada pela tendência de alguns átomos nas moléculas de atrair elétrons mais do que o átomo que os acompanha. Isso dá à molécula um momento dipolar permanente - ela a polar - e age como um ímã e atrai a extremidade oposta de outras moléculas polares.
Eletronegatividade e momentos permanentes dos dipolos

A propriedade da eletronegatividade acaba causando ligação de hidrogênio. Quando átomos são covalentemente ligados entre si, eles compartilham elétrons. Em um exemplo perfeito de ligação covalente, os elétrons são compartilhados igualmente, de modo que os elétrons compartilhados ficam a meio caminho entre um átomo e outro. No entanto, esse é apenas o caso quando os átomos são igualmente eficazes na atração de elétrons. A capacidade dos átomos de atrair os elétrons de ligação é conhecida como eletronegatividade; portanto, se os elétrons são compartilhados entre os átomos com a mesma eletronegatividade, então os elétrons ficam aproximadamente na metade do caminho em média (porque os elétrons se movem continuamente).

Se um átomo é mais eletronegativo que o outro, os elétrons compartilhados são mais intimamente atraídos para esse átomo. No entanto, os elétrons são carregados; portanto, se eles são mais propensos a se reunir em torno de um átomo que o outro, isso afeta o equilíbrio de carga da molécula. Em vez de ser eletricamente neutro, o átomo mais eletronegativo recebe uma leve carga negativa líquida. Por outro lado, o átomo menos eletronegativo acaba com uma leve carga positiva. Essa diferença de carga produz uma molécula com o que é chamado de momento dipolar permanente, e essas são freqüentemente chamadas de moléculas polares.
Como funcionam as ligações de hidrogênio

As moléculas polares têm duas seções carregadas em sua estrutura. Da mesma forma que a extremidade positiva de um ímã atrai a extremidade negativa de outro ímã, as extremidades opostas de duas moléculas polares podem se atrair. Esse fenômeno é chamado de ligação de hidrogênio porque o hidrogênio é menos eletronegativo do que as moléculas com as quais frequentemente se liga, como oxigênio, nitrogênio ou flúor. Quando a extremidade de hidrogênio da molécula com uma carga líquida positiva se aproxima do oxigênio, nitrogênio, flúor ou outra extremidade eletronegativa, o resultado é uma ligação molécula-molécula (uma ligação intermolecular), diferente da maioria das outras formas de ligação encontradas. na química, e é responsável por algumas das propriedades únicas de diferentes substâncias.
As ligações de hidrogênio são cerca de 10 vezes menos fortes que as ligações covalentes que mantêm as moléculas individuais unidas. É difícil quebrar as ligações covalentes porque isso exige muita energia, mas as ligações de hidrogênio são fracas o suficiente para serem quebradas com relativa facilidade. Em um líquido, existem muitas moléculas se movimentando, e esse processo leva à quebra e reforma das ligações de hidrogênio quando a energia é suficiente. Da mesma forma, o aquecimento da substância quebra algumas ligações de hidrogênio pelo mesmo motivo.
Ligação de hidrogênio na água

A água (H <2O) é um bom exemplo de ligação de hidrogênio em ação. A molécula de oxigênio é mais eletronegativa que o hidrogênio, e ambos os átomos de hidrogênio estão do mesmo lado da molécula em uma formação "v". Isso dá ao lado da molécula de água com os átomos de hidrogênio uma carga líquida positiva e o lado do oxigênio uma carga líquida negativa. Os átomos de hidrogênio de uma molécula de água, portanto, se ligam ao lado do oxigênio de outras moléculas de água.

Existem dois átomos de hidrogênio disponíveis para ligação de hidrogênio na água, e cada átomo de oxigênio pode "aceitar" ligações de hidrogênio de duas ", 1]

,Isso mantém forte a ligação intermolecular e explica por que a água tem um ponto de ebulição mais alto que a amônia (onde o nitrogênio pode aceitar apenas uma ligação de hidrogênio). A ligação de hidrogênio também explica por que o gelo ocupa mais volume que a mesma massa de água: as ligações de hidrogênio ficam fixas e conferem à água uma estrutura mais regular do que quando é líquida.