水素結合
例えば、フッ化水素は、フッ素原子が3つの非共有電子対と1つの水素原子を持っているが、水素結合を2つしか形成できない(アンモニアでは、3つの水素原子を持っているが1つの非共有電子対しかないという逆の問題がある)。
H − F ⋅ ⋅ ⋅ H − F ⋅ ⋅ ⋅ H − F {\displaystyle {\ce {H-F^{...}H-F^{...}H-F}}}
液体状態の水1分子が形成できる水素結合の厳密な数は、時間によって変動し、温度に依存する。TIP4Pモデルを用いた25 °Cにおけるシミュレーションでは、それぞれの水分子は平均して3.59個の水素結合に関与していると予測されている。100 °Cでは、この数は分子運動の増大と密度の低下によって3.24個に減少するが、0 °Cでは水素結合の平均数は3.69個に増加する。より最近の研究では、25 °Cにおける水素結合の数は2.357個とかなり少なく見積もられている。この違いは、水素結合の定義と計測に異なる手法を用いているためではないかと考えられる。
水素結合の強さがより同等の時は、2つの相互作用してる水分子の原子は、2つの異なる電荷を持つ多原子イオン(水酸化物イオン OH とヒドロニウムイオン H3O)に分かれる。
H − O − H 3 O + {\displaystyle {\ce {H-O^{-}H3O^{+}}}}
実際に、標準状態における純粋な水では、このようなイオンの形成はほとんど起こらず、この状態における水の解離定数に従うと、5.5 × 10分子中で1分子のみである。これが水の特異性の最も重要な部分である。
水が同族の他の第16族元素の水素化物(H2S〔沸点: −60.7 °C〕など)より比較的高い沸点(100 °C)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。