Nachdem wir nun eine bessere Vorstellung davon haben, wie die Form und die Art der Bindungen in einem Molekül seine Polarität beeinflussen können, wollen wir uns nun etwas genauer ansehen, wie Moleküle miteinander wechselwirken. Zunächst einmal ist festzustellen, dass global unpolare Moleküle ausschließlich über die Londoner Dispersionskräfte miteinander wechselwirken, genau wie die Atome von Neon oder Helium. Der Siedepunkt von Neon liegt bei -246 °C, während der Siedepunkt von CH4 bei -161 °C liegt. Das bedeutet, dass sich Methanmoleküle stärker zueinander hingezogen fühlen als Neonatome. Wir können dies damit erklären, dass ein Methanmolekül größer ist als ein Neonatom. Da die Elektronen in Methanmolekülen über eine größere Fläche verteilt sind und ihre Verteilung (im Raum) leichter zu verzerren ist, sagen wir, dass Methanmoleküle stärker polarisierbar sind. Da Methanmoleküle unpolar sind, ist der Siedepunkt von Methan viel niedriger als der von Substanzen, die aus polaren Molekülen ähnlicher Größe bestehen.79

Betrachten wir drei solcher Moleküle: HF (Bp 19,5 °C), H2O (Bp 100 °C) und NH3 (Bp -33 °C). Alle drei sind polar, kleben also aneinander, aber warum gibt es so große Unterschiede bei ihren Siedepunkten? Die Antwort liegt in der Tatsache, dass die Moleküle auf verschiedene Weise miteinander wechselwirken. Sie alle interagieren über Londoner Dispersionskräfte und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen. Darüber hinaus ist auch eine neue Art von Wechselwirkung möglich, die als Wasserstoffbrückenbindung (oder H-Bindung) bezeichnet wird. Der Begriff H-Bindung ist etwas irreführend, denn diese sind viel schwächer als kovalente Bindungen und beinhalten keine gemeinsamen Elektronen; die Energie, die zum Brechen einer typischen Wasserstoffbindung erforderlich ist, liegt zwischen 5 und 30 kJ/Mol, während zum Brechen einer C-C-Bindung über 400 kJ/Mol erforderlich sind.80 In biologischen Systemen und in flüssigem Wasser werden H-Bindungen ständig gebrochen und neu gebildet. Wasserstoffbrücken werden zwischen zwei getrennten Molekülen gebildet.81 Im Gegensatz zu den Londoner Dispersionskräften, aber wie kovalente Bindungen, haben H-Bindungen eine Richtung; sie entstehen, wenn der Wasserstoff eines Moleküls, der kovalent an ein O, N oder F gebunden ist, von dem einsamen Paar an einem O, N oder F eines benachbarten Moleküls angezogen wird.

H-Bindungen sind ein Sonderfall einer elektrostatischen Wechselwirkung zwischen einem Wasserstoffatom, das an ein sehr elektronegatives Atom (typischerweise Sauerstoff oder Fluor) gebunden ist, und einem elektronegativen Atom, das einsame Elektronenpaare besitzt. Wenn ein Wasserstoffatom auf diese Weise gebunden ist, bewegt sich der größte Teil der Elektronendichte in Richtung des elektronegativen Atoms, wodurch ein relativ großes δ+ auf dem Wasserstoff zurückbleibt. Wasser ist ein besonders wichtiges Beispiel für ein Molekül, das Wasserstoffbrückenbindungen eingehen kann, denn jedes Wassermolekül hat die Möglichkeit, vier H-Bindungen zu bilden. Jedes der Wasserstoffatome innerhalb eines Wassermoleküls kann sich an ein anderes Wassermolekül binden, während jedes Sauerstoffatom zwei einsame Paare besitzt, die mit den elektronenarmen Wasserstoffatomen zweier verschiedener benachbarter Wassermoleküle wechselwirken können (siehe Abbildung). Die Fähigkeit, eine große Anzahl von Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden, ist für viele der einzigartigen Eigenschaften von Wasser verantwortlich, darunter sein relativ hoher Schmelzpunkt, Siedepunkt, Wärmekapazität, Viskosität und niedriger Dampfdruck. Im Gegensatz dazu können HF und NH3 im Durchschnitt nur zwei H-Bindungen pro Molekül bilden. Können Sie herausfinden, warum das so ist? Da weniger H-Bindungen zu knacken sind, haben sie niedrigere Siedepunkte. HF hat einen höheren Siedepunkt als NH3, weil die H-Bindungen in HF stärker sind als die in NH3. (Kannst du herausfinden, warum?) Zusätzlich zu ihrer Rolle bei den Eigenschaften von Substanzen wie Wasser werden wir sehen, dass H-Bindungen eine entscheidende Rolle bei der Organisation biologischer Systeme spielen, von der Struktur von DNA und Proteinen bis hin zur Organisation von Lipidmembranen und katalytischen Mechanismen (aber dazu später mehr).