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水素原子を含む極性分子は、水素結合と呼ばれる静電結合を形成できます。水素原子は、単一のプロトンの周りの単一の電子で構成されているという点でユニークです。電子が分子内の他の原子に引き付けられると、露出した陽子の正電荷により分子分極が生じます。
このメカニズムにより、そのような分子は、ほとんどの化合物の基礎である共有結合およびイオン結合の上に強力な水素結合を形成できます。水素結合は、化合物に特別な特性を与え、水素結合を形成できない化合物よりも材料を安定させることができます。
TL; DR（長すぎる;読まなかった）
共有結合に水素原子を含む極性分子は、分子の一方の端に負の電荷を持ち、反対の端に正の電荷を持ちます。水素原子からの単一電子は、他の共有結合原子に移動し、正に帯電した水素プロトンが露出したままになります。プロトンは他の分子の負に帯電した端に引き付けられ、他の電子の1つと静電結合を形成します。この静電結合は水素結合と呼ばれます。
極分子の形成方法
共有結合では、原子は電子を共有して安定した化合物を形成します。非極性共有結合では、電子は等しく共有されます。たとえば、非極性ペプチド結合では、炭素-酸素カルボニル基の炭素原子と窒素-水素アミド基の窒素原子間で電子が等しく共有されます。
極性分子の場合、共有結合で共有されている電子は分子の片側に集まり、反対側は正に帯電する傾向があります。電子が移動するのは、原子の1つが共有結合の他の原子よりも電子に対する親和性が大きいためです。たとえば、ペプチド結合自体は非極性ですが、関連するタンパク質の構造は、カルボニル基の酸素原子とアミド基の水素原子間の水素結合によるものです。
典型的な共有結合配置は、外殻にいくつかの電子を持つ原子と、外殻を完成させるのに同じ数の電子を必要とする原子をペアにします。原子は前の原子からの余分な電子を共有し、各原子は時々完全な外側の電子殻を持っています。
多くの場合、外殻を完成させるために追加の電子を必要とする原子は、追加の電子を提供する原子よりも強く電子を引き付けます。この場合、電子は均等に共有されず、受信原子とより多くの時間を費やします。結果として、受容原子は負の電荷を持つ傾向があり、ドナー原子は正に帯電します。そのような分子は分極されています。
水素結合の形成方法
共有結合した水素原子を含む分子は、水素原子の単一電子が比較的緩やかに保持されているため、しばしば分極されます。共有結合の他の原子に容易に移動し、片側に水素原子の正に帯電した単一のプロトンを残します。
水素原子が電子を失うと、他の原子とは異なり、正電荷を遮蔽する電子がなくなるため、強力な静電結合を形成できます。プロトンは他の分子の電子に引き付けられ、その結果生じる結合は水素結合と呼ばれます。
水中の水素結合
化学式Hの水分子2Oは分極しており、強い水素結合を形成します。単一の酸素原子は2つの水素原子と共有結合を形成しますが、電子を等しく共有しません。 2つの水素電子は酸素原子とほとんどの時間を過ごし、酸素原子は負に帯電します。 2つの水素原子は正に帯電したプロトンになり、他の水分子の酸素原子からの電子と水素結合を形成します。
水は分子間にこれらの余分な結合を形成するため、いくつかの異常な特性があります。水は非常に強い表面張力を持ち、異常に高い沸点を持ち、液体の水から蒸気に変化するのに多くのエネルギーを必要とします。そのような特性は、分極分子が水素結合を形成する材料に典型的です。