氫鍵（或H鍵）是共價結合到更具電負性的供體原子或基團(Dn)的氫(H)原子與帶有孤對電子的另一個電負性原子之間的主要靜電吸引力-氫鍵受體（Ac）。這種相互作用的系統通常表示為Dn-H···Ac，其中實線表示極性共價鍵，點劃線表示氫鍵。最常見的供體和受體原子是第二排元素氮(N)、氧(O)和氟(F)。氫鍵可以是分子間的（發生在不同的分子之間）或分子內的（發生在同一分子的部分之間）。氫鍵的能量取決于幾何形狀、環境以及特定供體和受體原子的性質，可以在1到40kcal/mol之間變化。這使得它們比范德華相互作用強一些，比完全共價鍵或離子鍵弱。這種類型的鍵可以發生在無機分子（如水）和有機分子（如DNA和蛋白質）中。氫鍵負責將紙張和氈制羊毛等材料保持在一起，并導致單獨的紙張在變濕并隨后干燥后粘在一起。氫鍵是造成N、O和F化合物的許多異常物理和化學性質的原因。特別是，與其他組相比，分子間氫鍵是水的高沸點(100°C)的原因-16種氫鍵較弱的氫化物。分子內氫鍵部分負責蛋白質和核酸的二級和三級結構。它還在合成和天然聚合物的結構中發揮重要作用。

與相對電負性原子相連的氫原子是氫鍵供體。只有當碳原子與電負性取代基結合時，CH鍵才參與氫鍵，如氯仿CHCl3中的情況。在氫鍵中，不與氫共價連接的電負性原子稱為質子受體，而與氫共價結合的電負性原子稱為質子供體。雖然IUPAC推薦了這種命名法，但它可能會產生誤導，因為在其他供體-受體鍵中，供體/受體分配是基于電子對的來源（這種命名法也被一些作者用于氫鍵）。在氫鍵供體中，H中心是質子的。捐助者是劉易斯基地。氫鍵表示為H···Y系，其中的點代表氫鍵。氫鍵通常被描述為靜電偶極-偶極相互作用。但是，它也具有共價鍵的一些特征：方向性強，產生的原子間距離小于范德華半徑之和，通常涉及有限數量的相互作用伙伴，這可以解釋為一種化合價。.當受體結合來自更多電負性供體的氫時，這些共價特征更加顯著。作為更詳細的標準列表的一部分，IUPAC出版物承認有吸引力的相互作用可能來自靜電（多極-多極和多極誘導的多極相互作用）、共價（軌道重疊引起的電荷轉移）和色散（倫敦力），并指出每個的相對重要性將因系統而異。但是，該標準的腳注建議排除以色散為主要貢獻者的相互作用，特別給出Ar---CH4和CH4---CH4作為此類相互作用的示例，這些相互作用應從定義中排除。盡管如此，大多數介紹性教科書仍然將氫鍵的定義限制在開頭段落中描述的經典類型的氫鍵上。與硫(S)或氯(Cl)等元素結合的氫原子已知較弱的氫鍵；甚至碳（C）也可以作為供體，特別是當碳或其鄰居之一是帶負電的（例如，在氯仿、醛和末端乙炔中）。逐漸地，人們認識到有許多較弱的氫鍵的例子涉及除N、O或F以外的供體和/或受體Ac，其電負性接近氫的電負性（而不是更多的電負性）。盡管這些非傳統的氫鍵相互作用通常很弱（≈1kcal/mol），但它們也無處不在，并且越來越多地被認為是藥物化學中受體-配體相互作用或材料科學中分子內/分子間相互作用的重要控制元素。隨著時間的推移，氫鍵的定義逐漸擴大到包括這些較弱的吸引力相互作用。2011年，IUPAC工作組推薦了一種基于現代證據的氫鍵定義，該定義發表在IUPAC期刊PureandAppliedChemistry上。該定義規定：氫鍵是分子或分子片段X-H中的氫原子（其中X比H更具電負性）與相同或不同分子中的一個原子或一組原子之間的有吸引力的相互作用，其中存在債券形成的證據。

氫鍵的強度可以從弱（1-2kJmol-1）到強（離子HF-2中的161.5kJmol-1）不等。蒸氣中的典型焓包括：

• F-H···：F（161.5kJ/mol或38.6kcal/mol），由氟化氫HF2-xxx說明
• O-H···:N（29kJ/mol或6.9kcal/mol），圖示為水-氨
• O-H···：O（21kJ/mol或5.0kcal/mol），圖示水-水，酒精-酒精
• N?H···：N（13kJ/mol或3.1kcal/mol），以氨-氨為例
• N?H···:O（8kJ/mol或1.9kcal/mol），圖示為水-酰胺
• OH+3···:OH2(18kJ/mol或4.3kcal/mol)

分子間氫鍵的強度通常通過測量含有供體和/或受體單元的分子之間的平衡來評估，最常見的是在溶液中。分子內氫鍵的強度可以通過具有和不具有氫鍵的構象異構體之間的平衡來研究。鑒定復雜分子中氫鍵的最重要方法是晶體學，有時還有核磁共振光譜學。結構細節，特別是小于范德華半徑之和的供體和受體之間的距離，可以作為氫鍵強度的指示。一種方案給出了以下有點武斷的分類：15到40kcal/mol、5到15kcal/mol和>0到5kcal/mol的那些分別被認為是強、中和弱。

共振輔助氫鍵（通常縮寫為RAHB）是一種強類型的氫鍵。它的特點是涉及氫的π離域，不能單獨用靜電模型正確描述。已經提出這種氫鍵描述來描述通常在O=C-OH???或???O=CC=C-OH之間觀察到的異常短距離。

X-H距離通常約為110pm，而H···Y距離約為160到200pm。水中氫鍵的典型長度為197pm。理想的鍵角取決于氫鍵供體的性質。氫氟酸供體和各種受體之間的以下氫鍵角已通過實驗確定：

強氫鍵通過1HNMR光譜中的低場位移揭示。例如，乙酰丙酮的烯醇互變異構體中的酸質子出現在δH15.5處，這大約是常規酒精的10ppm低場。在IR光譜中，氫鍵將XH伸縮頻率移動到較低能量（即振動頻率降低）。這種轉變反映了XH鍵的減弱。某些氫鍵-不正確的氫鍵-顯示XH拉伸頻率的藍移和鍵長的減少。氫鍵也可以通過受體的IR振動模式變化來測量。當它們與側鏈羥基形成H鍵時，α-螺旋中骨架羰基的酰胺I模式轉移到較低頻率。

氫鍵具有持久的理論意義。根據現代描述，O:H2O整合了分子間O:H孤對：非鍵和與OO排斥耦合相關的分子內H2O極性共價鍵。相關殘基間電位常數（順應常數）的量子化學計算揭示了同一類型的單個H鍵之間的巨大差異。例如，與腺嘌呤-胸腺嘧啶對之間的N-H···N鍵相比，鳥嘌呤和胞嘧啶之間的中心殘基間N-H···N氫鍵要強得多。從理論上講，氫鍵的鍵強度可以使用NCI指數（非共價相互作用指數）評估，正如其名稱所示，它允許使用系統的電子密度來可視化這些非共價相互作用。從對普通冰的康普頓剖面各向異性的解釋來看，氫鍵部分是共價的。然而，這種解釋受到了挑戰。最一般地，氫鍵可以被視為兩個或多個分子間鍵之間的依賴于度量的靜電標量場。這與例如共價鍵或離子鍵的分子內結合狀態略有不同；然而，氫鍵通常仍然是一種束縛態現象，因為相互作用能具有凈負和。LinusPauling提出的最初的氫鍵理論表明氫鍵具有部分共價性質。這種解釋一直存在爭議，直到NMR技術證明了氫鍵原子核之間的信息轉移，這一壯舉只有在氫鍵包含一些共價特征時才有可能。

氫鍵的概念曾經具有挑戰性。LinusPauling將1912年首次提到氫鍵歸功于TSMoore和TFWinmill。Moore和Winmill使用氫鍵來解釋三甲基氫氧化銨比四甲基氫氧化銨弱堿這一事實。幾年后，即1920年，拉蒂默和羅德布什對氫鍵在其更為人所知的環境中的描述進行了描述。在那篇論文中，Latimer和Rodebush引用了他們實驗室的一位科學家同事MauriceLoyalHuggins的工作，他說，該實驗室的Huggins先生在一些尚未發表的工作中使用了兩個原子之間的氫核的想法作為關于某些有機化合物的理論。

在水分子之間發現了一個普遍存在的氫鍵示例。在離散的水分子中，有兩個氫原子和一個氧原子。最簡單的情況是一對水分子之間有一個氫鍵，稱為水二聚體，通常用作模型系統。當存在更多分子時，就像液態水一樣，可能會有更多的鍵，因為一個水分子的氧有兩個孤對電子，每個電子對都可以與另一個水分子上的氫形成氫鍵。這可以重復，使得每個水分子與多達四個其他分子形成氫鍵，如圖所示（兩個通過它的兩個孤對，兩個通過它的兩個氫原子）。氫鍵強烈影響冰的晶體結構，有助于形成開放的六方晶格。在相同溫度下，冰的密度小于水的密度；因此，與大多數其他物質不同，水的固相漂浮在液體上。液態水的高沸點是由于相對于其低分子量而言，每個分子可以形成大量氫鍵。由于破壞這些鍵的難度，與其他類似液體未通過氫鍵結合的水相比，水具有非常高的沸點、熔點和粘度。水是xxx的，因為它的氧原子有兩個孤對原子和兩個氫原子，這意味著一個水分子的鍵總數多達四個。液態水分子形成的氫鍵數量隨時間和溫度而波動。從25°C的TIP4P液態水模擬中，估計每個水分子平均參與3.59個氫鍵。在100°C時，由于分子運動增加和密度降低，這個數字減少到3.24，而在0°C時，氫鍵的平均數量增加到3.69。另一項研究發現氫鍵的數量要少得多：25°C時為2.357。差異可能是由于使用了不同的方法來定義和計算氫鍵。在鍵強度更相等的情況下，人們可能會發現兩個相互作用的水分子的原子被分成兩個帶相反電荷的多原子離子，特別是氫氧化物(OH-)和水合氫(H3O+)。（水合氫離子也稱為水合氫離子。）H?O?H3O+事實上，在標準溫度和壓力條件下的純水中，后一種公式很少適用；根據這種條件下水的離解常數值，平均每5.5×108個分子中約有一個向另一個水分子放棄一個質子。它是水獨特性的重要組成部分。因為水可以與溶質質子供體和受體形成氫鍵，它可以競爭性地抑制溶質分子間或分子內氫鍵的形成。因此，溶解在水中的溶質分子之間或內部的氫鍵相對于水與這些溶質上氫鍵的供體和受體之間的氫鍵幾乎總是不利的。水分子之間的氫鍵的平均壽命為10-11秒，即10皮秒。

一個氫原子可以參與兩個氫鍵，而不是一個。這種類型的粘合稱為分叉（分成兩個或兩個分叉）。例如，它可以存在于復雜的天然或合成有機分子中。有人提出，分叉的氫原子是水重新定向的重要步驟。受體型氫鍵（終止于氧的孤對電子）比供體型氫鍵更容易形成分叉（稱為過配位氧，OCO），從相同的氧的氫開始。

例如，氟化氫——在F原子上有三個孤對電子，但只有一個H原子——只能形成兩個鍵；（氨有相反的問題：三個氫原子，但只有一對孤對原子）。H-F···H-F···H-F

• 許多化合物的熔點、沸點、溶解度和粘度的增加可以用氫鍵的概念來解釋。
• HF和水的混合物的負共沸。
• 冰比液態水密度小的事實是由于氫鍵穩定的晶體結構。
• 與不存在氫鍵的較重的類似物PH3、H2S和HCl相比，NH3、H2O和HF的沸點顯著提高。
• 無水磷酸和甘油的粘度。
• 羧酸中的二聚體形成和氟化氫中的六聚體形成，即使在氣相中也會發生，導致與理想氣體定律的嚴重偏差。
• 在非極性溶劑中形成水和醇的五聚體。

氫鍵在確定許多合成和天然蛋白質所采用的三維結構和特性方面起著重要作用。與構成大多數聚合物的CC、CO和CN鍵相比，氫鍵要弱得多，可能只有5%。因此，氫鍵可以通過化學或機械方式斷裂，同時保留聚合物骨架的基本結構。這種鍵強度等級（共價鍵強于氫鍵，強于范德華力）是理解許多材料特性的關鍵。

在這些大分子中，同一大分子各部分之間的鍵合使其折疊成特定的形狀，這有助于確定分子的生理或生化作用。例如，DNA的雙螺旋結構主要是由于其堿基對之間的氫鍵（以及pi堆疊相互作用），它將一條互補鏈與另一條互補鏈連接起來并實現復制。

在蛋白質的二級結構中，主鏈氧和酰胺氫之間形成氫鍵。當參與氫鍵的氨基酸殘基的間距規則地出現在位置i和i+4之間時，就形成了一個α螺旋。當間距較小時，在位置i和i+3之間，形成310螺旋。當兩條鏈通過氫鍵連接時，每條參與鏈上都有交替殘基，形成了一個β折疊。氫鍵還通過R基團的相互作用在形成蛋白質的三級結構中發揮作用。（另見蛋白質折疊）。分叉的氫鍵系統在α-螺旋跨膜蛋白中很常見，在作為氫鍵受體的殘基i的骨架酰胺C=O和來自殘基i+4的兩個H鍵供體之間：骨架酰胺NH和側鏈羥基或硫醇H+。分叉的氫鍵羥基或硫醇系統的能量偏好分別為-3.4kcal/mol或-2.6kcal/mol。這種類型的分叉氫鍵為疏水膜環境中的極性側鏈（例如絲氨酸、蘇氨酸和半胱氨酸）提供了螺旋內的氫鍵配對物。氫鍵在蛋白質折疊中的作用也與滲透壓誘導的蛋白質穩定有關。保護性滲透劑，例如海藻糖和山梨糖醇，以濃度依賴性方式將蛋白質折疊平衡向折疊狀態轉移。雖然對滲透物作用的普遍解釋依賴于排除體積效應，這些效應本質上是熵的，但圓二色性(CD)實驗表明滲透物通過焓效應起作用。盡管已經提出了幾種機制，但它們在蛋白質穩定中的作用的分子機制仍未完全確定。計算機分子動力學模擬表明，滲透劑通過改變蛋白質水合層中的氫鍵來穩定蛋白質。多項研究表明，氫鍵對多聚體蛋白中亞基之間的穩定性起著重要作用。例如，對山梨糖醇脫氫酶的研究顯示了一個重要的氫鍵網絡，它可以穩定哺乳動物山梨糖醇脫氫酶蛋白家族中的四聚體四級結構。不完全免受水攻擊的蛋白質骨架氫鍵是脫水子。Dehydrons通過蛋白質或配體結合促進水的去除。外源脫水通過去屏蔽它們的部分電荷來增強酰胺和羰基之間的靜電相互作用。此外，脫水通過使由脫水的孤立電荷組成的非鍵態不穩定來穩定氫鍵。羊毛是一種蛋白質纖維，通過氫鍵結合在一起，導致羊毛在拉伸時回縮。然而，在高溫下洗滌會xxx性地破壞氫鍵，衣服可能會xxx性地變形。

氫鍵在纖維素和衍生聚合物的結構中很重要，在自然界中有許多不同的形式，例如棉花和亞麻。

許多聚合物通過鏈內和鏈之間的氫鍵得到加強。在合成聚合物中，一個很好的例子是尼龍，其中氫鍵出現在重復單元中，并在材料的結晶中起主要作用。鍵發生在酰胺重復單元中的羰基和胺基之間。它們有效地連接相鄰的鏈條，有助于加固材料。芳綸纖維的效果很好，其中氫鍵橫向穩定了線性鏈。鏈軸沿纖維軸排列，使纖維非常堅硬和堅固。氫鍵網絡使天然和合成聚合物對大氣中的濕度水平敏感，因為水分子可以擴散到表面并破壞網絡。一些聚合物比其他聚合物更敏感。因此，尼龍比芳綸更敏感，尼龍6比尼龍11更敏感。

對稱氫鍵是一種特殊類型的氫鍵，其中質子恰好位于兩個相同原子之間的中間。與這些原子中的每一個的鍵合強度是相等的。它是三中心四電子鍵的一個例子。這種鍵比普通的氫鍵強得多。有效鍵階為0.5，因此其強度與共價鍵相當。它存在于高壓冰中，也存在于許多無水酸如氫氟酸和甲酸的高壓固相中。在二氟化物離子[F--H--F]-中也可見。由于嚴格的空間約束，質子海綿的質子化形式（1,8-雙（二??甲氨基）萘）及其衍生物也具有對稱的氫鍵（[N--H--N]+），盡管在質子化的情況下ProtonSponge，組件彎曲。

氫鍵可以與密切相關的二氫鍵相比較，二氫鍵也是涉及氫原子的分子間鍵合相互作用。這些結構已為人所知一段時間，并通過晶體學很好地表征。然而，對它們與常規氫鍵、離子鍵和共價鍵的關系的理解仍不清楚。通常，氫鍵的特征是質子受體，它是非金屬原子中的孤對電子（最顯著的是在氮和硫屬元素基團中）。在某些情況下，這些質子受體可能是pi鍵或金屬絡合物。然而，在二氫鍵中，金屬氫化物充當質子受體，從而形成氫-氫相互作用。中子衍射表明，這些配合物的分子幾何形狀類似于氫鍵。

水中氫鍵結構的動力學可以通過OH伸縮振動的紅外光譜進行探測。在質子有機離子塑料晶體(POIPCs)中的氫鍵網絡中，POIPCs是一種在熔化前表現出固-固相變的相變材料，變溫紅外光譜可以揭示氫鍵的溫度依賴性和動力學陰離子和陽離子。固-固相變過程中氫鍵的突然減弱似乎與離子取向或旋轉紊亂的開始有關。

氫鍵是藥物設計的關鍵。根據Lipinski的五法則，大多數口服活xxx物往往具有不超過五個氫鍵供體和少于十個氫鍵受體。這些相互作用存在于氮-氫和氧-氫中心之間。然而，多達一半的新藥不遵守這些規則。