水は摂氏100度で沸騰します。一方、類似分子である硫化水素は摂氏マイナス60度で沸騰します。この違いは水素結合によるものです。水素結合とは、酸素、窒素、フッ素などの電気陰性度の高い原子に結合した水素原子と、別の電気陰性度の高い原子との間の弱い引力のことです。水素原子は部分的に正の電荷を帯び、もう一方の原子は部分的に負の電荷を帯びています。この引力は静電気的なものです。

水素結合は共有結合よりも弱く、1モルあたり約5～30キロジュールであるのに対し、共有結合は数百キロジュールにも達します。しかし、水素結合は数多く存在し、集合的に強い結合を形成します。水分子はそれぞれ最大4つの水素結合を形成できます。この水素結合ネットワークこそが、水が高い沸点、高い表面張力、そして高い比熱容量を持つ理由です。また、水素結合によって形成された格子構造は液体の水よりも密度が低いため、氷が水に浮くのもこの水素結合ネットワークのおかげです。

水素結合は生物学において不可欠な役割を果たしています。DNAの2本の鎖を結合させ、タンパク質の二次構造を安定化させ、αヘリックスやβシートを形成します。また、酵素が基質と結合する仕組みを決定づけ、薬剤の溶解性やRNAの折り畳みにも影響を与えます。水素結合がなければ、私たちが知るような生命は存在し得ません。

水素結合は単なる興味深い現象ではない。それは設計原理の一つである。化学者は水素結合を利用して超分子集合体を構築したり、医薬品を設計したり、特性を調整可能な材料を作り出したりする。水素結合は弱いが、その影響は計り知れない。