Atom wodoru │▒czyµ siΩ mo┐e normalnie tylko jednym wi▒zaniem kowalencyjnym. Jednak wod≤r zdolny jest do utworzenia dodatkowego wi▒zania wodorowego. Jest to s│abe oddzia│ywanie elektrostatyczne pomiΩdzy elektroujemnym atomem (akceptorem), a atomem wodoru, kt≤ry jest kowalencyjnie po│▒czony z innym atomem elektroujemnym (donorem). W wi▒zaniu tym wod≤r pe│ni rolΩ mostka │▒cz▒cego dwa elektroujemne atomy.

We wzorach wi▒zanie wodorowe oznacza siΩ zwykle lini▒ przerywan▒:

Wi▒zanie kowalencyjne pomiΩdzy donorem, a atomem wodoru ma charakter dipolarny, natomiast zewnΩtrzna pow│oka akceptora posiadaµ musi niesparowane elektrony. Klasycznym przyk│adem takich oddzia│ywa± s▒ wi▒zania pomiΩdzy cz▒steczkami wody: atom wodoru nale┐▒cy do jednej cz▒steczki przyci▒gany jest przez parΩ elektron≤w z zewnΩtrznej pow│oki atomu tlenu cz▒steczki s▒siedniej.

Znaczenie w uk│adach biologicznych mog▒ mieµ jedynie wi▒zania wodorowe pomiΩdzy trzema pierwiastkami: P, O, N. Jedynie te atomy maj▒ odpowiedni stosunek elektroujemno╢ci do rozmiaru atomu, aby utworzyµ trwa│e wi▒zania wodorowe.

Istotn▒ cech▒ wi▒za± wodorowych jest ich kierunkowo╢µ. Najsilniejsze oddzia│ywanie ma miejsce wtedy, gdy trzy uczestnicz▒ce w wi▒zaniu atomy (donor, wod≤r i akceptor) po│o┐one s▒ na jednej linii.

Wi▒zania wodorowe s▒ silniejsze w wypadku, gdy │▒cz▒ce siΩ cz▒steczki rozpuszczone s▒ w niepolarnym rozpuszczalniku. W roztworach o wysokiej polarno╢ci oddzia│ywania s▒ s│absze, poniewa┐ czΩsto pojawiaj▒ siΩ wi▒zania pomiΩdzy substancj▒ rozpuszczon▒, a polarnymi cz▒steczkami rozpuszczalnika.

Podstawowe znaczenie dla w│a╢ciwo╢ci i budowy wody maj▒ wi▒zania wodorowe. Powoduj▒ one, ┐e silnie oddzia│uj▒ce miΩdzy sob▒ cz▒steczki H₂O przechodziµ w stan gazowy zaczynaj▒ dopiero przy 100░ C. Gdyby nie istnienie wi▒za± wodorowych ca│a woda na Ziemi znajdowa│a by siΩ w postaci pary wodnej. R≤wnie┐ l≤d zawdziΩcza swoje niezwyk│e w│a╢ciwo╢ci tym s│abym oddzia│ywaniom. Ka┐dy atom tlenu │▒czy siΩ dwoma wi▒zaniami kowalencyjnymi z atomami wodoru, oraz dwoma wi▒zaniami wodorowymi z s▒siednimi cz▒steczkami.

Wi▒zania wodorowe wp│ywaj▒ nie tylko na temperaturΩ wrzenia i rozpuszczalno╢µ zwi▒zk≤w, lecz tak┐e odgrywaj▒ zasadnicz▒ rolΩ przy tworzeniu tr≤jwymiarowych struktur makrocz▒steczek takich jak bia│ka i kwasy nukleinowe. Hemoglobina zawdziΩcza istnienie kieszeni umo┐liwiaj▒cej wi▒zanie tlenu w│a╢nie temu typowi oddzia│ywa±. R≤wnie┐ fakt, ┐e DNA tworzy strukturΩ podw≤jnego heliksu wynika z istnienia wewnΩtrznych wi▒za± o charakterze wodorowym.

W przypadku wi▒za± kowalencyjnych chmura elektronowa przesuniΩta jest zazwyczaj w kierunku atomu o wiΩkszej elektroujemno╢ci. Kiedy takie wi▒zanie pΩka, elektrony pozostaj▒ z atomem o wiΩkszej elektroujemno╢ci; staje siΩ on jonem o ujemnym │adunku - anionem. Drugi atom z rozerwanej pary pozbawiony zostaje elektron≤w i nabywaj▒c │adunek dodatni staje siΩ kationem.

W niekt≤rych uk│adach r≤┐nica elektroujemno╢ci pomiΩdzy atomami bior▒cymi udzia│ w wi▒zaniu jest na tyle du┐a, ┐e elektrony przeci▒gniΩte zostaj▒ ca│kowicie na stronΩ jednego z nich. Taka sytuacja ma miejsce w cz▒steczce NaCl. Du┐a r≤┐nica elektroujemno╢ci (Na 0,9; Cl 3,0) powoduje, ┐e elektrony nie s▒ ju┐ dzielone pomiΩdzy atomami (jak w wi▒zaniu kowalencyjnym), lecz przeniesione ca│kowicie na atom chloru. Tak wiΩc w rzeczywisto╢ci mamy do czynienia z nastΩpuj▒cym rozk│adem │adunk≤w: Na⁺Cl^-. Atomy takiej cz▒steczki po│▒czone s▒ wi▒zaniem jonowym. Jest to oddzia│ywanie pomiΩdzy │adunkami o przeciwnych znakach.

W roztworach wodnych, jony o znaczeniu biologicznym, takie jak Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ czy Clû nie wystΩpuj▒ w stanie wolnym, lecz tworz▒ z cz▒steczkami wody uk│ady powi▒zane oddzia│ywaniami o charakterze jonowym. Przyk│adem mo┐e byµ uk│ad woda - kation potasowy:

Si│y van der Waalsa s▒ bardzo s│abymi oddzia│ywaniami zachodz▒cymi pomiΩdzy wszystkimi typami atom≤w (zar≤wno polarnymi jak i niepolarnymi). W chmurze elektronowej otaczaj▒cej j▒dro pojawiaµ siΩ mog▒ chwilowe fluktuacje rozmieszczenia │adunk≤w ujemnych - wynik normalnego ruchu elektron≤w. Takie nieregularno╢ci prowadz▒ do powstawania i zanikania dipoli, kt≤re wp│ywaj▒ na rozmieszczenie elektron≤w w s▒siednich atomach. Gdy atomy znajduj▒ce siΩ w bezpo╢rednim s▒siedztwie maj▒ spolaryzowane chmury elektronowe, pojawiaµ siΩ mo┐e s│abe przyci▒ganie. Zanika ono bardzo szybko wraz ze wzrostem odleg│o╢ci miΩdzy atomami, natomiast gdy atomy znajd▒ siΩ zbyt blisko siebie zostaj▒ odepchniΩte przez jednoimienne │adunki chmur elektronowych.

Pomimo, ┐e si│y te wystΩpuj▒ przez bardzo kr≤tki czas (rzΩdu 10^-9 s) i s▒ bardzo s│abe (ok. 1kcal/mol), sumuj▒c siΩ wywo│uj▒ efekty o du┐ym znaczeniu biologicznym i chemicznym. Oddzia│ywania van der Waalsa odpowiadaj▒ na przyk│ad za przyci▒ganie siΩ cz▒steczek niepolarnych cieczy oraz stanowi▒ si│y │▒cz▒ce sk│adniki ╢cian kom≤rkowych (poprzez przyci▒ganie siΩ niepolarnych │a±cuch≤w fosfolipid≤w).

Cz▒steczki niepolarne nie zawieraj▒ spolaryzowanych wi▒za± ani atom≤w - powoduje to, ┐e s▒ one nierozpuszczalne w wodzie. W│a╢ciwo╢µ t▒ nazywa siΩ hydrofobowo╢ci▒. Hydrofobowe mog▒ byµ r≤wnie┐ fragmenty cz▒steczek: przyk│adem mo┐e byµ cz▒steczka tristearynianu:

Sk│ada siΩ ona z trzech reszt kwasu stearynowego po│▒czonych z glicerolem. Trzy │a±cuchy stanowi▒ silnie hydrofobow▒ czΩ╢µ cz▒steczki (du┐o niespolaryzowanych wi▒za± wΩgielùwΩgiel), natomiast fragment glicerolowy wykazuje w│asno╢ci hydrofilowe (polarne wi▒zania wΩgielùtlen).

W ╢rodowisku wodnym oddzia│ywanie z polarnymi cz▒steczkami H₂O doprowadzi do takiego uk│adu, w kt≤rym fragmenty hydrofobowe bΩd▒ ôunika│yö kontaktu z wod▒ grupuj▒c siΩ razem, natomiast czΩ╢ci hydrofilowe ôchΩtnieö bΩd▒ z ni▒ oddzia│ywaµ. Si│y wywo│uj▒ce to zjawisko nazywane s▒ oddzia│ywaniami hydrofobowymi. Nie s▒ to wi▒zania w ╢cis│ym tego s│owa znaczeniu, gdy┐ │▒czenie siΩ fragment≤w hydrofobowych jest zjawiskiem wt≤rnym, wywo│anym ôniechΩci▒ö do cz▒steczek wody. ¼r≤d│em energii oddzia│ywa± hydrofobowych jest niechΩµ cz▒steczek wody zwiΩkszenia stopnia organizacji. Rozpuszczenie w H₂O niepolarnych cz▒steczek wymaga u│o┐enia moleku│ wody w warstwΩ otaczaj▒c▒ cz▒steczkΩ. Ogranicza to ich mo┐liwo╢µ ruchu i jest niekorzystne energetycznie. Szczeg≤lnie wyra╝ne jest to w przypadku du┐ych struktur niepolarnych (jak na przyk│ad │a±cuchy reszt kwasu stearynowego), kt≤rych rozpuszczenie wymaga│oby zaanga┐owania du┐ej ilo╢ci cz▒steczek wody. Kr≤tkie struktury (np. butan: CH₃ ùCH₂ ùCH₂ ùCH₃), pomimo charakteru niepolarnego, s▒ czΩ╢ciowo rozpuszczalne w wodzie: nie powoduje to du┐ego ograniczenia swobody ruchu cz▒steczek wody.