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Legame idrogeno

Il legame idrogeno è un particolare tipo di interazione fra molecole che si forma ogni volta che un atomo di idrogeno, legato ad un atomo fortemente elettronegativo (capace di attrarre elettroni), interagisce simultaneamente con un altro atomo molto elettronegativo che abbia una coppia di elettroni libera, come l’ossigeno, l’azoto o il fluoro. Questo legame viene, in genere, rappresentato come una linea tratteggiata tra l’idrogeno e l’altro atomo elettronegativo.

Quando un atomo di idrogeno è legato ad atomi molto elettronegativi, si ha una separazione di cariche e la molecola, pur restando elettricamente neutra, presenta una parziale carica positiva su di un lato (in genere indicata come δ+) ed una parziale carica negativa sull’altro (δ-). L’atomo di idrogeno, che costituisce l'estremità positiva della molecola, interagisce con l'estremità negativa di un’altra molecola vicina, creando un vero e proprio "ponte" tra le due molecole. Il legame idrogeno è un legame direzionale, nel senso che è più forte se l’idrogeno è allineato con i due atomi elettronegativi.

Il singolo legame idrogeno è piuttosto debole. In genere, però, se ne forma un gran numero contemporaneamente, e tutti insieme hanno un’influenza determinante sulle proprietà chimiche e fisiche di composti polari come il fluoruro di idrogeno e l’acqua.

Legami idrogeno nel fluoruro di idrogeno
Atomi di Idrogeno in bianco, di Fluoro in verde

Il fluoruro di idrogeno è formato da molecole HF. A causa della forte differenza di elettronegatività tra H e F, si forma un legame idrogeno tra l’atomo di idrogeno di una molecola e l'atomo di fluoro di una molecola vicina.

Legame idrogeno tra due molecole d’acqua

A causa della presenza di numerosi legami idrogeno tra le molecole, HF ha un punto di ebollizione più alto di quello di altre molecole (HCl, HBr, HI) contenenti elementi dello stesso gruppo del Sistema periodico, ma più pesanti e meno elettronegativi. A temperatura vicina a quella ambiente, HF è un liquido, mentre HCl, HBr, e HI sono gassosi.

Allo stesso modo, le "anomalie" nelle proprietà dell’acqua si spiegano proprio con la presenza di legami idrogeno. Le molecole di acqua, H2O, interagiscono l’una con l’altra attraverso l’attrazione di una coda positiva (l’idrogeno) con una testa negativa (l’ossigeno). Più precisamente, un atomo di idrogeno, legato all'ossigeno in una molecola di acqua, forma legame idrogeno con l’atomo di ossigeno di un’altra molecola, facendo da ponte fra i due atomi di ossigeno.

Esempi di legami idrogeno. Da sinistra a destra: 1) tra un alcol e l’acqua; 2) tra un chetone e l’acqua; 3) tra gruppi peptidici in un polipeptide; 4) tra timina e adenina nell’acido deossiribonucleico (DNA)
La doppia elica del DNA
I due filamenti sono tenuti insieme da legami idrogeno e da altre interazioni intermolecolari

Le molecole di acqua possono interagire con moltissime sostanze attraverso legami idrogeno. Per esempio, esse interagiscono sia con i soluti polari, determinandone la solubilità, sia con macromolecole biologiche, come proteine ed acidi nucleici determinandone la conformazione in soluzione. Nella figura sono mostrati quattro esempi di legame idrogeno tra alcuni gruppi funzionali, e tra questi e l’acqua .

Nel DNA, i legami idrogeno fra le basi azotate di due filamenti sono responsabili della struttura a doppia elica. Anche se l’energia necessaria per rompere il singolo legame idrogeno è piccola, in condizioni fisiologiche la struttura a doppia elica è stabilizzata proprio dal numero elevatissimo di legami idrogeno presenti.