水素結合

水分子の極性

水中における水素結合ネットワークの模式図。赤は酸素原子、青が水素原子、赤線が共有結合、黒線が水素結合を示す

水素結合（すいそけつごう、hydrogen bond）は、窒素、酸素、硫黄、ハロゲンなどの電気陰性度が大きな原子（陰性原子）に共有結合で結びついた水素原子が、近傍に位置した他の原子の孤立電子対とつくる非共有結合性の引力的相互作用である。分子間力のひとつ。

水素結合はもっぱら、陰性原子上で電気的に弱い陽性 (δ+) を帯びた水素が（右上図：水分子の例）周囲の電気的に陰性な原子との間に引き起こす静電的な力として説明されることが多い。つまり、双極子相互作用のうち、特別強いもの、として考えることもできる。

ただし水素結合はイオン結合のような無指向性の相互作用ではなく、水素・非共有電子対の相対配置にも依存する相互作用であるため、水素イオン（プロトン）の「キャッチボール」と表現されることもある。

典型的な水素結合はファンデルワールス力より10倍程度強いが、共有結合やイオン結合よりはるかに弱い。水素結合は水の性質、たとえば相変化などの熱的性質、あるいは水と他の物質との親和性などにおいて重要な役割を担っている。

効果と役割

水が同族の他の16族元素の水素化物（H₂Sなど）より比較的高い沸点を示すのは、水素結合によって分子間の引力が非常に強くなるためである。また、水が氷に変化する際に体積が増大するのは、水分子の三角構造が水素結合で蜂の巣状になり、そこに空洞が多く生まれるためである。

生体高分子において水素結合は、タンパク質が二次構造以上の高次構造を形成する際や、核酸の中で核酸塩基同士が相補的に結びつき二重らせん構造が形成する際に必要な、重要な駆動力となっている。

近年では炭素上の水素が陰性原子と作る相互作用（CH-O, CH-N 相互作用）や、芳香環と水素との相互作用（CH-π 相互作用）も弱い水素結合として認識されるようになってきた。

関連項目

• 共有結合
• イオン結合
• 水素結合結晶
• 分子間力
• 電気陰性度