Ora che abbiamo un’idea migliore di come la forma e i tipi di legami in una molecola possono influenzare la sua polarità, guardiamo un po’ più da vicino come le molecole interagiscono tra loro. La prima cosa da notare è che le molecole globalmente non polari interagiscono esclusivamente tramite le forze di dispersione di Londra, proprio come gli atomi di neon o di elio. Il punto di ebollizione del neon è di -246 °C mentre quello del CH4 è di -161 °C. Questo significa che le molecole di metano sono più fortemente attratte l’una dall’altra rispetto agli atomi di neon. Possiamo spiegare questo in base al fatto che una molecola di metano è più grande di un atomo di neon. Poiché gli elettroni nelle molecole di metano sono dispersi su una superficie maggiore e la loro distribuzione (nello spazio) è più facile da distorcere, diciamo che le molecole di metano sono più polarizzabili. Allo stesso tempo, poiché le molecole di metano non sono polari, il punto di ebollizione del metano è molto più basso di quello di sostanze fatte di molecole polari di dimensioni simili.79

Consideriamo tre di queste molecole: HF (bp 19,5 °C), H2O (bp 100 °C), e NH3 (bp -33 °C). Tutte e tre sono polari, quindi si attaccano insieme, ma perché ci sono differenze così grandi nei loro punti di ebollizione? La risposta sta nel fatto che le molecole interagiscono tra loro in più modi. Tutte interagiscono attraverso le forze di dispersione di Londra e le interazioni dipolo-dipolo. Inoltre, è possibile anche un nuovo tipo di interazione, nota come legame a idrogeno (o H-bond). Il termine legame H è in qualche modo fuorviante perché questi sono molto più deboli dei legami covalenti e non coinvolgono elettroni condivisi; l’energia richiesta per rompere un tipico legame a idrogeno è tra 5 e 30 kJ/mole, mentre ci vogliono oltre 400 kJ/mole per rompere un legame C-C.80 Nei sistemi biologici e nell’acqua liquida, i legami H si rompono e riformano continuamente. I legami idrogeno si formano tra due molecole separate.81 In contrasto con le forze di dispersione di Londra, ma come i legami covalenti, i legami H hanno una direzione; si formano quando l’idrogeno di una molecola, che è legato covalentemente a un O, N o F, è attratto dalla coppia solitaria su un O, N o F di una molecola vicina.

I legami H sono un caso speciale di interazione elettrostatica che coinvolge un atomo di idrogeno che è legato a un atomo molto elettronegativo (tipicamente ossigeno o fluoro) e un atomo elettronegativo che ha coppie solitarie di elettroni. Quando un idrogeno è legato in questo modo la maggior parte della densità di elettroni si sposta verso l’atomo elettronegativo, lasciando un δ+ relativamente grande sull’idrogeno. L’acqua è un esempio particolarmente importante di molecola in grado di impegnarsi nel legame a idrogeno, perché ogni molecola d’acqua ha la possibilità di formare quattro legami H. Ognuno degli atomi di idrogeno all’interno di una molecola d’acqua può legarsi a un’altra molecola d’acqua, mentre ogni atomo di ossigeno ha due coppie solitarie che possono interagire con gli atomi di idrogeno privi di elettroni di due diverse molecole d’acqua vicine, come mostrato in figura. La capacità di formare un gran numero di reti di legami idrogeno è responsabile di molte delle proprietà uniche dell’acqua, tra cui il suo punto di fusione relativamente alto, il punto di ebollizione, la capacità termica, la viscosità e la bassa pressione di vapore. Al contrario, HF e NH3 possono formare, in media, solo due legami H per molecola. Riesci a capire perché è così? Poiché ci sono meno legami H da rompere, hanno punti di ebollizione più bassi. HF ha un punto di ebollizione più alto di NH3 perché i legami H in HF sono più forti di quelli in NH3. (Oltre al loro ruolo nelle proprietà di sostanze come l’acqua, vedremo che i legami H giocano un ruolo critico nell’organizzazione dei sistemi biologici, dalla struttura del DNA e delle proteine, all’organizzazione delle membrane lipidiche e ai meccanismi catalitici (ma ne parleremo più tardi).