Il legame idrogeno o legame idrogeno è una forza intermolecolare o intramolecolare che coinvolge un atomo di idrogeno e un atomo elettronegativo come l' ossigeno , l' azoto e il fluoro . L'intensità di un legame idrogeno è intermedia tra quella di un legame covalente e quella delle forze di van der Waals . (In generale, i legami idrogeno sono più forti delle interazioni di van der Waals)
Inizialmente si pensava che l' elettrone dell'atomo di idrogeno fosse condiviso tra le molecole legate, e quindi che questo legame idrogeno fosse quasi covalente. Ora sappiamo che è elettrostatico al 90%. Per stabilire questo legame, è necessario essere in presenza di un donatore di legame idrogeno e di un accettore:
Quando viene stabilito un legame idrogeno, i due eteroatomi si trovano a una distanza di circa 0,25 nm .
Il legame è dovuto alla polarità di alcune molecole (che contengono un atomo di idrogeno e almeno un altro atomo più elettronegativo ). Se prendiamo l'esempio di una molecola d'acqua , l'atomo di ossigeno essendo più elettronegativo dei due atomi di idrogeno, questo attirerà verso di sé più gli elettroni impegnati nei legami covalenti che gli atomi di idrogeno al suo fianco. Ciò significa che l'atomo di ossigeno avrà quindi due cariche negative parziali, mentre ogni atomo di idrogeno avrà una carica positiva parziale. La molecola viene quindi polarizzata a causa di questa differenza di carica, perché i baricentri delle sue cariche parziali non sono confusi (nel qual caso sarebbe apolare).
Questo fenomeno fa sì che i poli positivi (atomi di idrogeno) siano attratti da entità di carica negativa (anione, polo negativo, ecc. ), E il polo negativo (ossigeno) sarà attratto da entità di carica positiva (catione, polo positivo di un altro molecola polarizzata, ecc .). La molecola d'acqua può quindi formare quattro legami idrogeno che le conferiscono molte delle sue proprietà speciali.
Esistono quindi legami idrogeno a causa delle differenze di elettronegatività tra i diversi atomi che compongono le molecole.
Viene quindi stabilito il legame idrogeno tra tutte le molecole che presentano le caratteristiche sopra menzionate; si considera ad esempio il caso di un acido carbossilico (R-COOH).
Si noti che tutte le molecole sono collegate tra loro alla funzione alcolica. Il radicale alchilico “R” avrà quindi un'influenza non trascurabile sulla forza di questo legame. Infatti, la lunghezza della catena e la sua composizione polarizzeranno il legame tra idrogeno e ossigeno in misura maggiore o minore. Se il legame H (come è più comunemente chiamato) è indebolito, allora la coesione intermolecolare e la temperatura di ebollizione della sostanza in questione saranno inferiori. In altre parole, ci vorrà meno energia (attraverso il calore) per separare le molecole l'una dall'altra. Al contrario, per l'acqua (H 2 O), ammoniaca ( acquoso NH 3) o acido fluoridrico (HF), il legame XH è così polarizzato che i legami H che si formano danno alle sostanze punti di ebollizione anormalmente alti.
Un altro esempio può essere quello dell'acqua solida (ghiaccio). Questo perché la molecola d'acqua è il tipico esempio del legame H. I legami H sono stabiliti, quindi lo stato liquido dell'acqua è lo stato più compatto, mentre per la maggior parte delle altre sostanze pure è lo stato solido. Nel ghiaccio l'acqua ha la stessa struttura tetraedrica (struttura resa possibile da questi legami) come nell'acqua liquida, ma assume un volume maggiore. Questo è il motivo per cui il ghiaccio occupa più volume dell'acqua, in quantità uguali (il cubo di ghiaccio galleggia sull'acqua) ed è anche il motivo per cui il ghiaccio si scioglie più velocemente dell'acqua che diventa solida.
Infine - e sebbene l'elenco non possa essere esaustivo in quanto il campo di applicazione di questo legame è vasto - citeremo il caso dei polimeri, come il polipara-fenilentereftalammide (meglio conosciuto con il nome di Kevlar). Le catene polimeriche sono attaccate tra loro da legami H, conferendogli così le sue proprietà di resistenza molto interessanti. Per ulteriori informazioni, vedere Kevlar .
In generale ci sono tre tipi di legami idrogeno (covalenti sapendo che i doppietti sono compresi tra 100 e 500 kJ · mol -1 ):
Un esempio di un legame molto forte è FH - F - in KHF 2 con circa 212 kJ mol −1 . Possiamo pensare che in questo caso sia meglio scrivere F - M - F. La distanza totale tra F - H - F è di soli 2,49 Å e si forma un angolo di 120 ° tra le diverse molecole.
Tre caratteristiche principali definiscono i legami idrogeno e la loro interattività: