พันธะไฮโดรเจน คือ พันธะที่เกิดขึ้นอันเนื่องมาจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลสองโมเลกุล ซึ่งแต่ละโมเลกุลนั้นประกอบด้วยอะตอมของไฮโดรเจนสร้างพันธะโคเวเลนต์กับอะตอมของธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี (en) สูงมากๆ เช่น F, O และ   N  ซึ่งมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีประมาณ 3.98, 3.44 และ 3.04 ตามลำดับ
เช่น การเกิดพันธะไฮโดรเจนระหว่างอะตอม ไฮโดรเจน และ ออกซิเจน แสดงได้ดังรูป

 



ในกรณีของน้ำโมเลกุลแต่ละโมเลกุลของน้ำอาจเกิดพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลของน้ำข้างเคียงอีกสี่อะตอม (ดังรูป)
โครงสร้างของน้ำที่เป็นของเหลว เกิดจากโมเลกุลของน้ำหลายๆโมเลกุลยึดกันด้วยพันธะไฮโดรเจน แต่ว่ายังไม่ค่อยเป็นระเบียบนักเนื่องจากโครงสร้างของน้ำมีส่วนหนึ่งดึงดูดกันอยู่ด้วยแรงขั้วคู่-ขั้วคู่ และ การสร้างและสลายพันธะไฮโดรเจนตลอดเวลา โครงสร้างของน้ำ (ของเหลว) แสดงได้ดังรูป

http://www.nyu.edu/pages/mathmol/textbook/info_water.html


ในกรณีของ น้ำแข็ง โมเลกุลของน้ำแต่ละโมเลกุลสร้างพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลอื่นๆอีก 4 โมเลกุลเช่นเดียวกัน แต่มีความเป็นระเบียบมากกว่า โดยระยะห่างระหว่างออกซิเจนของโมเลกุลของตัวมันเองกับโมเลกุลใกล้เคียงมีค่าประมาณ 2.76 อังสตรอม (Ao) ผลึกของน้ำแข็งมีได้หลายรูป แต่รูปที่พบในธรรมชาติ คือ hexagonal

 

www.ill.fr/dif/ 3D-gallery.html
          เพื่อความเข้าใจมากขึ้นขออธิบายพันธะไฮโดรเจนผ่านกระบวนการการเกิดเป็นน้ำแข็งของน้ำ ซึ่งจะช่วยให้แยกแยะระหว่างพันธะโคเวเลนต์กับพันธะไฮโดรเจนได้เป็นอย่างดี
  น้ำ 1 โมเลกุลประกอบด้วย   


ไฮโดรเจน 2 อะตอม

ออกซิเจน 1 อะตอม
          ออกซิเจนซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 6 ดังนั้นเมื่อใช้อิเล็กตรอนไป 2 ตัวเพื่อเกิดพันธะโคเวเลนต์กับ H สองอะตอม (อะตอมละ 1 อิเล็กตรอน) จึงเหลือ 4 อิเล็กตรอนหรือมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 2 คู่ ดังรูป
          การเกิดพันธะไฮโดรเจนในกรณีนี้เกิดจากแรงดึงดูดระหว่างอะตอมของ H ซึ่งมีประจุบวก กับอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวซึ่งมีประจุลบ ดังรูป

           ดังนั้นน้ำแข็งจึงเกิดจากโมเลกุลของน้ำหลายๆโมเลกุลเชื่อมกัน หรืออาจกล่าวได้ว่าอะตอมของ O เชื่อมกันโดยอาศัยพันธะโคเวเลนต์และพันธะไฮโดรเจนร่วมกัน โดย 1 อะตอมของออกซิเจนจะเชื่อมกับอีก 4 อะตอมของออกซิเจน ดังรูป


เกิดเป็นผลึกของน้ำแข็งมีลักษณะโครงสร้างคล้ายเพชร ดังรูป

 
มองจากด้านบน (top view)


 

มองจากด้านหน้า (front view)

 
          เพื่อที่จะสามารถมองและเข้าใจเกี่ยวกับพันธะไฮโดรเจนได้กว้างขึ้น ให้นักเรียนลองพิจารณาพันธะไฮโดรเจนใน DNA (deoxyribonucleic acid) ; เป็นที่รู้กันว่าโครงสร้างของ DNA ประกอบด้วยสามส่วนที่สำคัญ คือ หมู่ฟอสเฟต น้ำตาล และ เบส ซึ่ง เบส ที่พบใน DNA มี 4 ชนิด คือ Adenine(A), Thymine(T), Guanine(G), Cytosine(C) ต่อกันเป็นสายยาวแบบเกลียวคู่ (double helix) โดยเบสที่เข้าคู่จะมีความจำเพาะ นั่นคือโดยทั่วไปแล้ว เบส A จะเข้าคู่กับ T และ C จะเข้าคู่กับ G ทำไมถึงเป็นเช่นนั้นหละ ?  
           ถ้าอยากรู้ลองพิจารณาจากรูปครับ

          จากรูปจะเห็นว่าการที่ เบส A เข้าคู่กับ เบส T และเบส C เข้าคู่กับเบส G ทำให้รูปร่างของคู่เบสในสามมิติ คล้ายคลึงกันมาก ทำให้ DNA มีรูปร่างเป็นเกลียวคู่สม่ำเสมอมากทีเดียว จากรูปเป็นการจับคู่เบสตามแนวคิดของ Watson-Crick ซึ่งได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นจริง เมื่อพิจารณาการเกิดพันธะไฮโดรเจนจะเห็นว่า Adenine สามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับ Thymine ได้ สองพันธะ และ Cytosine สามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับ Guanine ได้ สาม พันธะพอดี ซึ่งพันธะไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นถึงแม้จะมีความแข็งแรงน้อยกว่า พันธะโคเวเลนต์ แต่อย่างไรก็ตามในโมเลกุลของ DNA มีจำนวนพันธะไฮโดรเจนเกิดขึ้นมากมาย ดังนั้นจึงเสริมแรงกันและ ทำให้โมเลกุลของ DNA ที่เป็น double helix มีความเสถียร นอกจากนี้ถ้าเปรียบเทียบความแข็งแรงของแรงยึดเหนี่ยวระหว่าง คู่เบส A-T และ C-G จะเห็นว่า C-G มีความแข็งแรงมากกว่าเพราะมีพันธะไฮโดรเจนมากกว่า (เบส C สร้างพันธะไฮโดรเจนกับ G สามพันธะ ในขณะที่ เบส A สร้างพันธะไฮโดรเจนกับ T สองพันธะ