Teraz, gdy mamy lepsze wyobrażenie o tym, jak kształt i rodzaje wiązań w cząsteczce może wpływać na jej polarność, spójrzmy trochę bliżej na to, jak cząsteczki oddziałują ze sobą. Pierwszą rzeczą, którą należy zauważyć jest to, że globalnie niepolarne cząsteczki oddziałują wyłącznie poprzez londyńskie siły rozpraszające, tak jak atomy neonu czy helu. Temperatura wrzenia neonu wynosi -246 °C, natomiast temperatura wrzenia CH4 wynosi -161 °C. Oznacza to, że cząsteczki metanu są silniej przyciągane do siebie niż atomy neonu. Możemy to wyjaśnić na podstawie faktu, że cząsteczka metanu jest większa od atomu neonu. Ponieważ elektrony w cząsteczkach metanu są rozproszone na większej powierzchni i ich rozmieszczenie (w przestrzeni) jest łatwiejsze do zniekształcenia, mówimy, że cząsteczki metanu są bardziej polaryzowalne. Jednocześnie, ponieważ cząsteczki metanu są niepolarne, temperatura wrzenia metanu jest znacznie niższa niż substancji zbudowanych z cząsteczek polarnych o podobnej wielkości.79

Rozważmy trzy takie cząsteczki: HF (bp 19,5 °C), H2O (bp 100 °C) i NH3 (bp -33 °C). Wszystkie trzy są polarne, więc trzymają się razem, ale dlaczego są tak duże różnice w ich temperaturach wrzenia? Odpowiedź leży w fakcie, że cząsteczki oddziałują ze sobą na wiele sposobów. Wszystkie oddziałują za pomocą londyńskich sił dyspersyjnych i oddziaływań dipol-dipol. Ponadto możliwy jest również nowy rodzaj interakcji, znany jako wiązanie wodorowe (lub wiązanie H). Termin wiązanie wodorowe jest nieco mylący, ponieważ są one znacznie słabsze niż wiązania kowalencyjne i nie zawierają wspólnych elektronów; energia potrzebna do zerwania typowego wiązania wodorowego wynosi od 5 do 30 kJ/mol, podczas gdy do zerwania wiązania C-C potrzeba ponad 400 kJ/mol.80 W układach biologicznych i w ciekłej wodzie wiązania wodorowe są stale zrywane i reformowane. Wiązania wodorowe powstają pomiędzy dwoma oddzielnymi cząsteczkami.81 W przeciwieństwie do sił dyspersji londyńskiej, ale podobnie jak wiązania kowalencyjne, wiązania H mają kierunek; tworzą się, gdy wodór jednej cząsteczki, który jest kowalencyjnie związany z O, N lub F, jest przyciągany przez samotną parę na O, N lub F sąsiedniej cząsteczki.

Wiązania H są szczególnym przypadkiem oddziaływania elektrostatycznego z udziałem atomu wodoru, który jest związany z bardzo elektronegatywny atom (zwykle tlenu lub fluoru) i elektronegatywny atom, który ma samotne pary elektronów. Kiedy wodór jest związany w ten sposób większość gęstości elektronowej przesuwa się w kierunku elektronegatywnego atomu, pozostawiając stosunkowo duży δ+ na wodorze. Woda jest szczególnie ważnym przykładem cząsteczki zdolnej do angażowania się w wiązania wodorowe, ponieważ każda cząsteczka wody ma możliwość tworzenia czterech wiązań H. Każdy z atomów wodoru w cząsteczce wody może połączyć się z inną cząsteczką wody, podczas gdy każdy atom tlenu posiada dwie samotne pary, które mogą oddziaływać z pozbawionymi elektronów atomami wodoru dwóch różnych sąsiednich cząsteczek wody, jak pokazano na rysunku. Zdolność do tworzenia dużej liczby i sieci wiązań wodorowych jest odpowiedzialna za wiele unikalnych właściwości wody, w tym jej stosunkowo wysoką temperaturę topnienia, temperaturę wrzenia, pojemność cieplną, lepkość i niską prężność pary. W przeciwieństwie do niej, HF i NH3 mogą tworzyć średnio tylko dwa wiązania H na cząsteczkę. Czy wiesz, dlaczego tak się dzieje? Ponieważ jest mniej wiązań H do złamania, mają one niższe temperatury wrzenia. HF ma wyższą temperaturę wrzenia niż NH3, ponieważ wiązania H w HF są silniejsze niż te w NH3. (Czy można dowiedzieć się, dlaczego?) Oprócz ich roli w masowych właściwości substancji, takich jak woda, zobaczymy, że wiązania H odgrywają kluczową rolę w organizacji systemów biologicznych, od struktury DNA i białek, do organizacji błon lipidowych i mechanizmów katalitycznych (ale więcej o tym później).

.