Водородная связь представляет собой особый тип межмолекулярного взаимодействия, возникающий между атомом водорода, ковалентно связанным с высокоэлектроотрицательным атомом (обычно кислородом, азотом или фтором), и другим электроотрицательным атомом, обладающим свободной электронной парой. Данное взаимодействие занимает промежуточное положение между сильными химическими связями и слабыми силами Ван-дер-Ваальса, что придаёт ему уникальные физико-химические свойства.
Ковалентная связь между водородом и электроотрицательным атомом характеризуется значительной полярностью: электронная плотность смещается к более электроотрицательному элементу, оставляя атом водорода сильно обеднённым электронами. В результате на водороде формируется значительный положительный частичный заряд, который притягивает неподелённые электронные пары соседних атомов. Взаимодействие стабилизируется за счёт кулоновского притяжения и частично — за счёт перекрывания орбиталей.
Энергия водородной связи варьирует от 10 до 40 кДж/моль, что значительно меньше, чем энергия ковалентной связи, но существенно выше, чем дисперсионные силы. Геометрия характеризуется выраженной направленностью: атом водорода стремится располагаться на линии, соединяющей донорный и акцепторный атомы. Линейность повышает прочность связи, тогда как отклонение угла ослабляет взаимодействие.
По прочности различают:
Вода. Аномально высокая температура кипения, высокая теплоёмкость и теплопроводность воды обусловлены пространственной сетью водородных связей. При кристаллизации формируется разветвлённая решётка, создающая сравнительно низкую плотность льда.
Спирты, кислоты и амины. Ассоциация молекул за счёт водородных связей приводит к повышению температуры кипения и изменению растворимости по сравнению с аналогичными соединениями без способности к таким взаимодействиям.
Биомолекулы. Водородные связи стабилизируют вторичную структуру белков (α-спирали и β-слои), обеспечивают комплементарное спаривание азотистых оснований в ДНК, поддерживают пространственные конфигурации полисахаридов.
Водородные связи отражаются на спектрах поглощения и колебательной спектроскопии. Образование связи приводит к удлинению ковалентной связи X–H и, как следствие, к снижению частоты её колебаний. В инфракрасных спектрах наблюдается характерное смещение полосы поглощения в сторону меньших частот, что служит доказательством присутствия водородных взаимодействий.
Образование водородных связей сопровождается выделением энергии, что стабилизирует молекулярные системы. Однако разрывы таких связей могут происходить относительно легко под действием температуры, давления или растворителей. Это объясняет подвижность сетей водородных связей в жидкой воде и динамический характер ассоциатов.
Во многих кристаллических структурах органических и неорганических соединений водородные связи образуют трёхмерные сетки, определяющие физические свойства вещества: прочность, температуру плавления, растворимость. Классическим примером являются соли гидратов и кислые соли, где водородные связи фиксируют ионные структуры.