Enlaces de hidrógeno
Los enlaces de hidrógeno son atracciones entre un hidrógeno unido a O, N o F y otro átomo electronegativo, y explican las propiedades del agua y la forma del ADN.
Los enlaces de hidrógeno, también llamados puentes de hidrógeno, son atracciones que se establecen entre un átomo de hidrógeno unido a un átomo muy electronegativo, como el oxígeno, el nitrógeno o el flúor, y otro átomo electronegativo cercano con pares de electrones libres. Aunque son mucho más débiles que un enlace covalente, explican por qué el agua es líquida a temperatura ambiente, por qué el hielo flota y cómo se mantiene unida la doble hélice del ADN.
¿Qué es un enlace de hidrógeno?
Un enlace de hidrógeno es una interacción atractiva del tipo X–H···Y. El átomo X (el dador) está unido covalentemente al hidrógeno y es más electronegativo que él, de modo que atrae los electrones del enlace y deja al hidrógeno con una carga parcial positiva (δ+). El átomo Y (el aceptor) tiene carga parcial negativa (δ−) y al menos un par de electrones no compartido, hacia el que se orienta ese hidrógeno. La línea de puntos representa el enlace de hidrógeno; el guion, el enlace covalente.
La IUPAC revisó su definición en 2011 para reconocer que, además de la atracción electrostática, en estos enlaces intervienen la polarización y una pequeña participación covalente. Por eso se consideran un caso intermedio dentro del enlace químico: más fuertes que las fuerzas de Van der Waals y mucho más débiles que los enlaces iónicos o covalentes.
El concepto se desarrolló a comienzos del siglo XX. Wendell Latimer y Worth Rodebush lo aplicaron al agua en 1920, y Linus Pauling lo difundió ampliamente en su obra The Nature of the Chemical Bond (1939).
Características
- Requisitos: un hidrógeno unido a F, O o N (los átomos más electronegativos y pequeños) y un aceptor con pares libres, normalmente también F, O o N.
- Energía moderada: entre unos 4 y 40 kJ/mol en la mayoría de los casos; en el agua líquida, alrededor de 20 kJ/mol. Un enlace covalente O–H necesita unos 460 kJ/mol para romperse.
- Direccionalidad: son más fuertes cuando X, H e Y están casi alineados, lo que hace que las moléculas adopten geometrías concretas.
- Longitud: en el agua, la distancia H···O es de aproximadamente 1,8 Å, casi el doble que el enlace covalente O–H (0,96 Å).
- Carácter cooperativo y dinámico: en el agua líquida se forman y se rompen continuamente, en tiempos del orden de picosegundos.
Tipos de enlaces de hidrógeno
| Tipo | Entre qué se forma | Ejemplos |
|---|---|---|
| Intermolecular | Entre moléculas distintas, iguales o diferentes | Agua-agua, agua-etanol, dímeros de ácido acético, fluoruro de hidrógeno |
| Intramolecular | Entre dos grupos de la misma molécula | o-nitrofenol, ácido salicílico, α-hélice de las proteínas |
Los intermoleculares elevan los puntos de fusión y ebullición y favorecen la solubilidad en agua. Los intramoleculares, en cambio, «gastan» los grupos capaces de formar puentes dentro de la propia molécula, por lo que el o-nitrofenol es más volátil y menos soluble que su isómero p-nitrofenol, que forma enlaces con otras moléculas.
Los enlaces de hidrógeno en el agua
Cada molécula de agua tiene dos hidrógenos que puede ceder y dos pares de electrones libres en el oxígeno que pueden aceptar, de modo que puede participar hasta en cuatro enlaces de hidrógeno con disposición tetraédrica. Esta red tridimensional es la causa de las llamadas propiedades anómalas del agua:
- Punto de ebullición alto: el agua hierve a 100 °C, mientras que el sulfuro de hidrógeno (H₂S), de mayor masa molecular, lo hace a unos −60 °C. Si no existieran los puentes de hidrógeno, el agua sería un gas a temperatura ambiente.
- El hielo flota: al congelarse, las moléculas quedan fijadas en una red hexagonal abierta con mucho espacio vacío. El hielo tiene una densidad de unos 0,92 g/cm³, menor que la del agua líquida, al contrario de lo que ocurre en casi todas las sustancias.
- Densidad máxima a 4 °C: por debajo de esa temperatura empiezan a formarse agrupaciones con estructura parecida a la del hielo y el agua se dilata. Gracias a ello, los lagos se hielan desde la superficie y el fondo se mantiene líquido.
- Calor específico elevado (4,18 J/g·°C): el agua absorbe mucho calor sin calentarse demasiado, lo que suaviza el clima de las costas y estabiliza la temperatura de los seres vivos.
- Alto calor de vaporización: evaporar el sudor consume mucha energía, por eso refresca el cuerpo.
- Gran tensión superficial y capilaridad: la cohesión entre moléculas permite que algunos insectos caminen sobre el agua y que esta ascienda por los vasos de las plantas.
El mismo efecto se observa en otros hidruros. El fluoruro de hidrógeno (HF) hierve a 19,5 °C y el cloruro de hidrógeno (HCl), a −85 °C; el amoniaco (NH₃), a −33 °C, y la fosfina (PH₃), a −88 °C.
Los enlaces de hidrógeno en el ADN
Las dos cadenas del ADN se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre bases complementarias: la adenina se une a la timina mediante dos puentes, y la guanina a la citosina mediante tres. Este emparejamiento, descrito en el modelo de Watson y Crick de 1953, es la base de la copia fiel de la información genética.
Que sean enlaces débiles es precisamente su ventaja: son lo bastante estables para mantener la doble hélice, pero las enzimas pueden separar las cadenas sin romper la molécula durante la replicación y la transcripción.
Los enlaces de hidrógeno en las proteínas
En las proteínas, los enlaces de hidrógeno entre el grupo C=O de un enlace peptídico y el grupo N–H de otro dan forma a la estructura secundaria:
- Hélice α: el C=O de cada aminoácido se une al N–H del aminoácido situado cuatro posiciones más adelante, lo que enrolla la cadena en espiral. Pauling y Corey la propusieron en 1951.
- Lámina β: los puentes se forman entre tramos de cadena dispuestos uno al lado del otro, como en la fibroína de la seda.
También participan en la estructura terciaria, en la unión de las enzimas con sus sustratos y en el reconocimiento entre anticuerpos y antígenos. Al calentar una proteína, estos enlaces se rompen y la proteína se desnaturaliza, como ocurre con la clara de un huevo al cocinarlo.
Otros ejemplos de enlaces de hidrógeno
- Alcoholes: el etanol hierve a 78 °C, mientras que su isómero el dimetil éter, que no puede formar puentes entre sus propias moléculas, hierve a unos −24 °C.
- Ácidos carboxílicos: el ácido acético forma dímeros unidos por dos puentes de hidrógeno, incluso en fase de vapor.
- Celulosa: sus cadenas se unen lateralmente por puentes de hidrógeno y forman fibras resistentes, como las del algodón o la madera.
- Polímeros sintéticos: el nailon y el kevlar deben parte de su resistencia a los puentes entre grupos amida de cadenas vecinas.
Para repasar qué moléculas tienen los enlaces O–H, N–H o F–H que hacen posible todo esto, pueden consultarse los ejemplos de enlaces covalentes.
Importancia de los enlaces de hidrógeno
Sin enlaces de hidrógeno no habría agua líquida en la Tierra a las temperaturas habituales, los océanos se helarían desde el fondo y las moléculas de la vida no podrían plegarse ni copiarse. Son también claves en farmacología, porque determinan cómo se une un fármaco a su diana; en ciencia de materiales, para diseñar polímeros y adhesivos; y en química supramolecular, donde se aprovechan para que las moléculas se ensamblen solas en estructuras ordenadas.
Ejercicios resueltos
1. ¿Cuáles de estas sustancias forman enlaces de hidrógeno entre sus propias moléculas: CH₄, NH₃, CH₃OH, CH₃–O–CH₃ y HF?
Necesitan un H unido a N, O o F. Lo cumplen NH₃, CH₃OH y HF. El metano no tiene ese tipo de hidrógeno, y el dimetil éter tiene oxígeno pero sus hidrógenos están unidos al carbono, así que solo puede actuar como aceptor (por ejemplo, frente al agua).
2. Un fragmento de ADN tiene en una cadena la secuencia ATGCGC. ¿Cuántos enlaces de hidrógeno lo unen a su cadena complementaria?
Pares A-T: A y T, 2 pares × 2 = 4. Pares G-C: G, C, G, C, 4 pares × 3 = 12. Total = 16 enlaces de hidrógeno.
3. El etanol (C₂H₅OH) y el dimetil éter (CH₃OCH₃) tienen la misma fórmula molecular. ¿Por qué el primero hierve a 78 °C y el segundo a unos −24 °C?
El etanol tiene un grupo –OH y sus moléculas se unen por enlaces de hidrógeno, que hay que romper para que pase a gas. El éter no puede formarlos entre sí, solo tiene interacciones dipolo-dipolo y de dispersión, más débiles.
4. Explica por qué una botella de vidrio llena de agua puede romperse en el congelador.
Al congelarse, los enlaces de hidrógeno ordenan las moléculas en una red hexagonal abierta: el hielo ocupa alrededor de un 9 % más de volumen que el agua líquida y esa expansión rompe el recipiente.
5. Señala el dador y el aceptor en el enlace de hidrógeno entre dos moléculas de amoniaco.
El dador es el nitrógeno de la molécula que aporta su enlace N–H; el aceptor es el nitrógeno de la otra molécula, que ofrece su par de electrones libre: N–H···N.
Preguntas frecuentes
¿Es lo mismo enlace de hidrógeno que puente de hidrógeno?
¿El enlace de hidrógeno es un enlace químico verdadero?
¿Por qué el hielo flota sobre el agua?
¿Qué átomos pueden formar enlaces de hidrógeno?
¿Cuántos enlaces de hidrógeno unen las bases del ADN?
Referencias
- Pauling, L. The Nature of the Chemical Bond. Cornell University Press.
- Arunan, E. et al. «Definition of the hydrogen bond (IUPAC Recommendations 2011)». Pure and Applied Chemistry, 83 (8), 2011.
- Nelson, D. L. y Cox, M. M. Lehninger. Principios de bioquímica. Omega.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2026). «Enlaces de hidrógeno». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/quimica/enlaces-de-hidrogeno/
