При написании сочетания "за(?)щеку", мы при возможности задать к нему вопросы "куда?" или "как?", можем принять его за наречное выражение, то есть устойчивое сочетание с обстоятельственным значением. Такая отнесённость, которую мы всё-таки давайте посчитаем ложной, может создать гипотезу о слитном написании данной падежной формы: "защеку". Для того, чтобы такую идею признать верной или ошибочной, нужно обратиться к морфологии и определить часть речи.
Очевидно, что сочетание "за щеку" (именно такой вариант написания является, вероятнее всего, правильным), отвечая на падежный вопрос "за что?", представляет собой форму винительного падежа - это существительное "щека" в сочетании с предлогом "за". Нет никакого смысла считать, что слово "щека" в сочетании "за щеку" понесло какие-то семантические потери или лишилось морфологической самостоятельности. Поэтому писать "защеку" (слитно) нельзя.
Так же, то есть раздельно, нужно написать и сочетания "за щекой", "на щеку" или "в щеку".
Примеры употребления:
"Заложил за щёку", "схватиться за щёку", "ухватилась за щёку", "держится за щеку", "ущипнёт за щёку".
Для справки: допустимы как вариант "за щеку", так и "за щёку".