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Wasserstoffbrückenbindung

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Die Autor*innen
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André Otto
Wasserstoffbrückenbindung
lernst du in der Unterstufe 4. Klasse - Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Beschreibung zum Video Wasserstoffbrückenbindung

Sie sind der Grund, warum Wasser bei Raumtemperatur flüssig und nicht gasförmig ist – die Wasserstoffbrückenbindungen. Wie sich Wasserstoffbrücken bilden und aufgrund welcher physikalischer Gesetzmäßigkeiten, wird dir in diesem Video einfach erklärt. Außerdem erfährst du, in welchen Stoffgruppen noch Wasserstoffbrückenbindungen auftreten und welche Auswirkungen diese auf physikalische Eigenschaften wie die Siedetemperatur von Stoffen haben. Am Ende weißt du sogar, dass es ohne Wasserstoffbrückenbindungen weder funktionierende Proteine noch DNA geben würde.
Du möchtest wissen, ob du das Thema auch wirklich verstanden hast? Dann geh gleich weiter zu unseren Übungsaufgaben.

Grundlagen zum Thema Wasserstoffbrückenbindung

Wasserstoffbrückenbindung – einfach erklärt

Eine Wasserstoffbrückenbindung ist eine Form der Anziehung zwischen Molekülen, also eine zwischenmolekulare Wechselwirkung. Wie der Name bereits vermuten lässt, spielt Wasserstoff $\left(\ce{H} \right)$ dabei eine ganz entscheidende Rolle.

Eine Wasserstoffbrückenbindung (oder einfach Wasserstoffbrücke) bildet sich zwischen einem kovalent gebundenen Wasserstoff-Atom eines Moleküls und einem stark elektronegativen Atom eines anderen Moleküls aus. In der Regel verfügt das andere Atome (z. B. Sauerstoff, Stickstoff oder Fluor) dabei über mindestens ein freies Elektronenpaar. Wasserstoffbrückenbindungen sind die stärksten zwischenmolekularen Wechselwirkungen.

Wasserstoffbrückenbindungen treten v. a. zwischen Wassermolekülen $\left(\ce{H2O} \right)$, Ammoniak $\left(\ce{NH3} \right)$ oder Fluorwasserstoff $\left(\ce{HF} \right)$ auf. Denn Fluor $\left(\ce{F} \right)$, Sauerstoff $\left(\ce{O} \right)$ und Stickstoff $\left(\ce{N} \right)$ sind Elemente mit einer sehr hohen Elektronegativität, was zu einer deutlichen Anziehung des elektropositiveren Wasserstoffs $\left(\ce{H} \right)$ führt.

In der folgenden Abbildung ist am Beispiel von Wasser dargestellt, wie mehrere Moleküle über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander vernetzt werden können.

Wasserstoffbrückenbindung am Beispiel Wasser

Dabei ist zu beachten, dass die gepunktet dargestellten Wasserstoffbrücken keine kovalenten Bindungen darstellen. Wasserstoffbrückenbindungen sind zwar die stärksten zwischenmolekularen Wechselwirkungen, aber dennoch deutlich schwächer als die kovalenten Bindungen innerhalb von Molekülen.

Entstehung von Wasserstoffbrückenbindungen

Nun wollen wir uns genauer ansehen, wie es dazu kommt, dass sich Wasserstoffbrückenbindungen aufgrund der unterschiedlichen Elektronegativitäten der beteiligten Atome ausbilden. Eine Wasserstoffbrückenbindung tritt zwischen permanenten Dipolmolekülen auf, an denen Wasserstoff $\left(\ce{H} \right)$ beteiligt ist (genauer gesagt zwischen Teilen von diesen). Sie ist die stärkste Wechselwirkung zwischen Molekülen. Ein positiv polarisiertes Wasserstoffatom (also ein Wasserstoffatom mit einer positiven Partialladung) zieht dabei das freie Elektronenpaar eines Atoms von einem anderen Dipolmolekül an. Ein Dipolmolekül (oder einfach ein Dipol) ist vorhanden, wenn Atome mit deutlich unterschiedlichen Elektronegativitätswerten eine polare Atombindung eingehen. Dabei muss die Differenz der Elektronegativitätswerte ausreichend groß sein, um ein starkes Dipolmoment zu erzeugen. Das ist oft der Fall, wenn Wasserstoff eine kovalente Bindung mit einem stark elektronegativen Element eingeht. Sehr hohe Elektronegativitäten $\left( EN \right)$ finden wir im Periodensystem beispielsweise bei Fluor $\left( EN(\ce{F})=4,0 \right)$, Sauerstoff $\left( EN(\ce{O})=3,4 \right)$ und Stickstoff $\left( EN(\ce{N})=3,0 \right)$. Kohlenstoff $\left( EN(\ce{C})=2,6 \right)$ und Wasserstoff $\left( EN(\ce{H})=2,2 \right)$ weisen hingegen für Nichtmetalle relativ niedrige Elektronegativitätswerte auf.
Elemente mit hohen Elektronegativitätswerten ziehen die bindenden Elektronen innerhalb des Moleküls sehr stark zu sich. Dadurch entsteht eine asymmetrische Ladungsverteilung und sogenannte Partialladungen bilden sich heraus. Im Falle des Wassermoleküls $\left(\ce{H2O} \right)$ entsteht dadurch eine positive Partialladung auf der Seite des Wasserstoffatoms (bzw. bei beiden Wasserstoffatomen) und eine negative Partialladung beim Bindungspartner Sauerstoff. Wasserstoffbrückenbindungen entstehen nun zwischen den einzelnen Wassermolekülen, da die gegensätzlichen Partialladungen nicht nur zu einer starken Bindung innerhalb des Wassermoleküls führen, sondern auch zu Anziehungskräften zwischen den Molekülen bzw. zwischen den gegensätzlich geladenen Teilen der Moleküle.

Achtung:
Du findest für die Elektronegativität der einzelnen Elemente in der Literatur unterschiedliche Werte, da es verschiedene Möglichkeiten gibt, diese zu berechnen. So sind also auch die Differenzen der Elektronegativitätswerte $\left( \Delta EN \right)$ abweichend. Allerdings gibt dir schon eine Tendenz zu höheren oder geringeren Differenzen der Elektronegativitätswerte einen guten Hinweis auf die Art der Bindung.

Wasserstoffbrückenbindungen können in besonderen Fällen aber auch innerhalb eines Moleküls, also intramolekular, ausgebildet werden. Das ist bei sehr großen Molekülen der Fall, bei denen Anziehungskräfte zwischen gegensätzlich polarisierten Molekülteilen auftreten können. Ein Beispiel dafür ist das DNA-Molekül, in dem die Basenpaare über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft sind. So bildet sich die bekannte Struktur der Doppelhelix aus.

Vergleich mit anderen Bindungsarten zwischen Molekülen

Es gibt verschiedene zwischenmolekulare Wechselwirkungen, die alle auf der elektrostatischen Anziehung zwischen geladenen Teilchen beruhen. Diese Anziehung nennt man auch Coulombkraft und sie führt zur Ausbildung der Van‑der‑Waals‑Kräfte sowie der Dipol‑Dipol‑Wechselwirkungen. Wasserstoffbrückenbindungen stellen einen Spezialfall der Dipol‑Dipol‑Wechselwirkungen dar. Sie basieren wie diese auf unterschiedlichen Elektronegativitäten, sind aber noch etwas stärker und stabiler als andere Dipol‑Dipol‑Wechselwirkungen, bei denen nicht immer Wasserstoff beteiligt sein muss.

Bindungsenergie und Stärke von Wasserstoffbrückenbindungen

Die Wasserstoffbrückenbindung ist, wie bereits erwähnt, die stärkste unter den zwischenmolekularen Wechselwirkungen bzw. Anziehungskräften. Die Bindungsenergie ist zwar geringer als die der kovalenten Bindung (egal ob polare oder unpolare Atombindung), dennoch beeinflussen die Wasserstoffbrücken viele wichtige Eigenschaften von Verbindungen, z. B. die Schmelz- und Siedepunkte. Bei einigen Stoffen sind die zwischenmolekularen Kräfte sogar so stark ausgeprägt, dass diese bei Temperaturerhöhung nicht verdampfen, sondern sich bereits vorher zersetzen. In diesem Fall brechen also zuerst die Bindungen zwischen den einzelnen Atomen auf. Einen solchen Stoff kennst du auch schon: Zucker.

Hinsichtlich der Stärke von Wasserstoffbrückenbindungen unterscheiden wir drei Ausprägungen:

Wasserstoffbrückenbindungen Bindungsenergie Beispiele
stark $\pu{63 - 167 kJ//mol}$ Fluorwasserstoff $\left( \ce{HF} \right)$
mittel $\pu{17 - 63 kJ//mol}$ Wasser $\left( \ce{H2O} \right)$, Kohlenhydrate
schwach $< \pu{17 kJ//mol}$ Proteine

Nun werfen wir nochmal einen genaueren Blick auf die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen in den verschiedenen Aggregatzuständen des Wassers.

Wasserstoffbrückenbindungen – Vorkommen

Wasserstoffbrückenbindungen kommen nicht nur in Wasser $\left(\ce{H2O} \right)$ vor, sondern auch in anderen stark polaren Stoffen wie Fluorwasserstoff $\left(\ce{HF} \right)$ und Ammoniak $\left(\ce{NH3} \right)$. Außerdem können Wasserstoffbrücken auch zwischen funktionellen Gruppen in organischen Verbindungen auftreten, die Sauerstoff oder Stickstoff (und natürlich Wasserstoff) enthalten. Das trifft auf verschiedenste Proteine zu, aber auch auf das bereits angesprochene DNA-Molekül sowie auf die RNA. In der folgenden Tabelle sind einige Auswirkungen aufgelistet, die Wasserstoffbrückenbindungen in den verschiedenen Stoffen haben können.

Stoff Auswirkungen
Wasser - flüssig unter Normalbedingungen auf der Erde (durch Siedepunktserhöhung)
- Dichteanomalie
- Kohäsion (Zusammenhalt durch hohe Oberflächenspannung)
Proteine - Stabilisierung der Sekundär- und Tertiärstrukturen
- Bindung zur übergeordneten Quartärstruktur
RNA - komplementäre Basenpaarung innerhalb der verschiedenen RNA-Moleküle
- Basenpaarung zwischen RNA- und DNA-Molekülen
DNA - komplementäre Basenpaarung innerhalb der Doppelhelix
- Zusammenhalt und Stabilität |

Im Folgenden wollen wir noch detaillierter auf einige dieser Punkte eingehen.

Wasserstoffbrückenbindungen im Wasser

Die drei klassischen Aggregatzustände sind fest, flüssig und gasförmig. Die Temperatur, bei der Stoffe unter Normalbedingungen vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen, wird Siedetemperatur genannt. Sie ist abhängig von der molaren Masse (auch Molmasse) des Stoffes sowie der Bindungsstärke zwischen den Teilchen.

Schauen wir uns zuerst die molare Masse von Wasser $\left( \ce{H2O} \right)$ an. Diese liegt mit $\pu{18 g//mol}$ deutlich unter der molaren Masse von Stickstoff $\left( \ce{N2} \right)$, dem Hauptbestandteil der Luft, mit $\pu{29 g//mol}$. Trotzdem ist Wasser im Gegensatz zur gasförmigen Luft flüssig unter Normalbedingungen. Was ist der Grund hierfür? Hier kommt nun also die Bindung zwischen den Teilchen ins Spiel.

Wasser setzt sich aus Wassermolekülen $\left( \ce{H2O} \right)$ zusammen. Im Wassermolekül liegt an den beiden Wasserstoffatomen $\left( \ce{H} \right)$ eine positive Partialladung und am Sauerstoff $\left( \ce{O} \right)$ eine negative Partialladung vor. Dadurch, dass das Wassermolekül gewinkelt ist, bildet sich ein Dipol aus. Der negative Ladungsschwerpunkt liegt im Dipol Wasser beim Sauerstoffatom, der positive aufseiten der beiden Wasserstoffatome.

Wasser als Dipol

Einfach erklärt lässt sich sagen, dass sich zwischen zwei Wassermolekülen eine Brücke von einem Wasserstoffatom des einen Moleküls zum Sauerstoffatom des anderen Moleküls ausbildet. Diese Brücke ist keine wirkliche chemische Bindung und wirkt daher auch nicht so stark wie die Bindungskräfte innerhalb eines einzelnen Wassermoleküls.

Wasserstoffbrücken in flüssigem Wasser

Wasserstoffbrücken bestehen immer nur für winzige Bruchteile von Sekunden. Sie werden also ständig aufgelöst und neu gebildet. Wasserstoffbrücken reichen jedoch aus, um zu einer sogenannten Molekülvergrößerung zu führen. So sind bei $\pu{20 °C}$ im Durchschnitt neun Wassermoleküle zu einem sogenannten Cluster verbunden. Dies hat wiederum zur Folge, dass sehr viel Energie aufgebracht werden muss, um diese Cluster zu trennen. Es kommt zu einer Erhöhung des Siedepunktes. Dies zeigt sich vor allem im Vergleich mit den weiteren $\ce{H2X}$‑Hydriden aus der 6. Hauptgruppe, z. B. Schwefelwasserstoff $\left( \ce{H2S} \right)$. Bis auf Wasser $\left( \ce{H2O} \right)$ sind diese bei Raumbedingungen allesamt gasförmig und zeigen nur eine leichte Siedepunktserhöhung aufgrund ihrer steigenden molaren Masse.

Wasserstoffbrücken im Eis

Die Wasserstoffbrücken im Wasser sind sehr starr und gerichtet. Dies führt beim Abkühlen dazu, dass sich die Wassermoleküle in Sechserringen mit einem relativ großen Abstand zueinander bilden. Die Entfernung der Moleküle zueinander wird dann sogar größer als deren Abstand noch im flüssigen Zustand war. Die folgenden beiden Abbildungen zeigen, wie die weitmaschige, sechseckige Struktur von Eis direkt aus den starren Wasserstoffbrücken folgt.

Wasserstoffbrückenbindungen im festen Zustand des Wassers

Vergleich der Struktur von Eis mit der von flüssigem Wasser

Wasser erreicht also seine höchste Dichte nicht im festen Zustand, sondern bei $\pu{4 °C}$. Die Dichte von gefrorenem Wasser (Eis) ist aufgrund der sechseckigen Anordnung geringer als die Dichte von flüssigem Wasser, daher schwimmt Eis an der Wasseroberfläche und tiefere Seen frieren niemals am Grund zu. Man spricht auch von der Dichteanomalie des Wassers.

Wasserstoffbrückenbindungen in der DNA

Wir haben bereits kurz angesprochen, dass Wasserstoffbrückenbindungen auch innerhalb eines sehr großen Moleküls auftreten können und dabei die DNA als Beispiel genannt. Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist im Prinzip ein einziges, riesiges Molekül – ein sogenanntes Makromolekül – in dem die gesamte Erbsubstanz eines Lebewesens gespeichert ist. Sie stellt gewissermaßen den biologischen Bauplan einer Spezies dar. Die menschliche DNA hat die Struktur einer Doppelhelix. Diese ergibt sich aus zwei ineinander verwundenen Strängen, die über sogenannte Basenpaare miteinander verknüpft sind. Die Kombination der vier Basen Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin ist dabei bei jedem Menschen leicht unterschiedlich – wie der Fingerabdruck, der indirekt auch aus diesem Bauplan folgt. Man spricht deshalb auch vom genetischen Fingerabdruck eines Menschen.

die DNA als genetischer Fingerabdruck

Die interessante Chemie dabei: Die Verknüpfung der Basenpaare erfolgt über Wasserstoffbrückenbindungen. Die beiden Stränge der Doppelhelix sind über Wasserstoffbrücken aneinander gebunden. Das ist in der folgenden Abbildung noch einmal im Detail dargestellt.

die Verknüpfung der DNA über Wasserstoffbrückenbindungen

Die Wasserstoffbrückenbindungen sorgen nicht nur für die Stabilität des DNA-Moleküls, sie ermöglichen es auch, die beiden Stränge der Doppelhelix voneinander zu trennen, um sie abzulesen, zu vervielfältigen und dann wieder zusammenfügen zu können. Ohne Wasserstoffbrückenbindungen gäbe es diesen reproduzierbaren Bauplan nicht und damit letztlich kein höher entwickeltes Leben auf der Erde!

Wasserstoffbrückenbindungen – weitere Beispiele und Auswirkungen

Neben Wasser $\left( \ce{H2O} \right)$ und DNA gibt es viele weitere Verbindungen, in denen Wasserstoffbrücken eine große Rolle spielen. Dies sind z. B. Fluorwasserstoff $\left( \ce{HF} \right)$, Ammoniak$\left( \ce{NH3} \right)$ und Chlorwasserstoff $\left( \ce{HCl} \right)$. Alkanole haben im Vergleich zu den Alkanen zwar ähnliche Molekülmassen, jedoch viel höhere Siedetemperaturen. Der Grund dafür liegt wiederum in den Wasserstoffbrückenbindungen, die zu einer Molekülvergrößerung (Clusterbildung) führen.
Das Leben auf der Erde, so wie wir es kennen, wäre ohne die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen nicht denkbar. In Proteinen wird beispielsweise über Wasserstoffbrücken die $\ce{\alpha}$‑Helix‑Struktur stabilisiert. Wie bereits erwähnt, sind auch die komplementären Basenpaare in der Doppelhelix der DNA über schwache Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft.
Die Wirkstoffe vieler Arzneimittel binden sich mittels Wasserstoffbrücken an die entsprechenden Zielstrukturen und entfalten so erst ihre Wirkung. Weiterhin ist die Löslichkeit von Sacchariden und Polymeren eine Folge dieser zwischenmolekularen Kräfte.

Unterschied zwischen Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräften

Wasserstoffbrückenbindungen stellen einen Spezialfall der Dipol‑Dipol‑Wechselwirkungen dar. Manchmal werden diese zu den Van-der-Waals-Kräften gezählt, aber eigentlich sollten sie klar von diesen unterschieden werden. Dipol‑Dipol‑Wechselwirkungen und insbesondere Wasserstoffbrückenbindungen sind Wechselwirkungen zwischen permanenten Dipolen, also Molekülen, die ein permanentes Dipolmoment aufweisen, wie das bei Wasser $\left( \ce{H2O} \right)$ oder Fluorwasserstoff $\left( \ce{HF} \right)$ der Fall ist. Zwischen temporären oder induzierten Dipolen gibt es hingegen keine Wasserstoffbrücken. Die Anziehungskräfte, die zwischen diesen Arten von Dipolen auftreten, werden London-Kräfte (zwischen temporären und induzierten Dipolen) und Debye-Wechselwirkungen* (zwischen permanenten und induzierten Dipolen) genannt. Sie sind deutlich schwächer als Wasserstoffbrückenbindungen und Dipol‑Dipol‑Wechselwirkungen. Nur für diese schwächeren Wechselwirkungen sollte der Begriff Van-der-Waals-Kräfte verwendet werden, um Verwirrung zu vermeiden.

Das Wassermolekül – Paradebeispiel für die Wasserstoffbrückenbindung

Wasser ist das beste Beispiel für den großen Einfluss, den Wasserstoffbrückenbindungen auf die Eigenschaften eines Stoffes haben können. Obwohl Sauerstoff nicht das elektronegativste Element ist (sondern Fluor), haben die Wasserstoffbrückenbindungen in Wasser aufgrund der gewinkelten Struktur des Wassermoleküls eine besonders große Wirkung, wodurch sich Phänomene wie die Siedepunktserhöhung und die Dichteanomalie des Wassers hier besonders stark auswirken. Auch die besondere Bedeutung, die Wasser für das Leben auf der Erde hat, wäre ohne Wasserstoffbrückenbindungen nicht denkbar. Allerdings sollte hier noch einmal betont werden, dass es zwar keine Wasserstoffbrücken ohne Wasserstoff geben kann, aber sehr wohl welche ohne Wasser.

Zusammenfassung der Wasserstoffbrückenbindung

  • Wasserstoffbrückenbindungen sind zwischenmolekulare Wechselwirkungen.
  • Eine Wasserstoffbrücke bildet sich zwischen einem in einem Molekül gebundenen Wasserstoffatom und einem stark elektronegativen Atom eines anderen Moleküls (bzw. dessen freiem Elektronenpaar) aus.
  • Voraussetzung dafür ist, dass es sich bei den Molekülen um permanente Dipole handelt, wobei der Wasserstoff eine positive Partialladung und der elektronegativere Partner (z. B. Sauerstoff, Fluor oder Stickstoff) eine negative Partialladung trägt.
  • Wasserstoffbrückenbindungen sind schwächer als kovalente Bindungen, spielen aber vor allem in Wasser eine sehr wichtige Rolle. Sie führen zu eine Siedepunktserhöhung und sind außerdem ein wesentlicher Grund für die Dichteanomalie des Wassers.
  • Auch zwischen oder sogar innerhalb anderer Moleküle können Wasserstoffbrücken auftreten, die für uns sehr wichtig sind, z. B. in Proteinen oder im DNA-Molekül.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Wasserstoffbrückenbindung

Was ist eine Wasserstoffbrückenbindung – einfach erklärt?
Wann entstehen Wasserstoffbrückenbindungen?
Wie entsteht eine Wasserstoffbrückenbindung?
Welche Bedingungen müssen für Wasserstoffbrücken erfüllt sein?
Welche Moleküle können Wasserstoffbrückenbindungen bilden?
Kann Ethanol Wasserstoffbrücken bilden?
Welche Atome können Wasserstoffbrückenbindungen eingehen?
Was ist stärker – Wasserstoffbrücken oder Van-der-Waals-Kräfte?
Was braucht man für eine Wasserstoffbrückenbindung?
Welche Wasserstoffbrückenbindungen gibt es?
Ist die Wasserstoffbrückenbindung eine kovalente Bindung?
Was ist der Unterschied zwischen Wasserstoffbrückenbindungen und anderen Arten von chemischen Bindungen?
Wo kommen Wasserstoffbrückenbindungen vor?
Warum sind Wasserstoffbrückenbindungen wichtig?
Können Ketone Wasserstoffbrücken ausbilden?
Können Wasserstoffbrücken auch in anderen Stoffen auftreten?
Kann Chlor Wasserstoffbrücken bilden?
Wo treten Dipol-Dipol-Kräfte auf?
Wann liegen kovalente Bindungen vor?
Warum ist Wasser flüssig?

Transkript Wasserstoffbrückenbindung

Guten Tag und herzlich Willkommen! Dieses Video heißt Wasserstoffbrückenbindung. Nehmen wir einmal zwei wohlbekannte chemische Verbindungen, einmal Wasser zur rechten und Alkohol (Ethanol) zur linken. Beide Verbindungen sind flüssig, Luft hingegen ist gasförmig. Das ist selbstverständlich oder vielleicht nicht? Vergleichen wir einmal die Molmassen in g/M. Ethanol liefert einen Wert von 46, für Luft erhält man 29 und Wasser hat eine Molmasse von 18. Davon ausgehend müsste Luft flüssig sein und Wasser gasförmig. Was steckt nun dahinter? Betrachten wir einmal Wasser und davon ein Molekül. Das Wassermolekül ist leicht gewinkelt. Ein Sauerstoffatom ist mit 2 Wasserstoffatomen verbunden. Schauen wir uns nun einmal die Elektronegativitäten der beiden beteiligten Elemente an. Für Sauerstoff beträgt sie 3,5 und für Wasserstoff 2,1. Die Elektronegativitätsdifferenz ∆EN=1,4, das bedeutet, dass die Bindungselektronen stärker vom Sauerstoffatom angezogen werden. Man erhält Partialladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen: ∆- am Sauerstoffatom und ∆+ am Wasserstoffatom. Wasser besteht aus vielen Teilchen. Nehmen wir nun noch ein zweites Wassermolekül. Auch dort treffen wir die schon genannten Partialladungen an. Durch die unterschiedlichen Ladungen am Sauerstoffatom und am Wasserstoffatom des benachbarten Wassermoleküls kommt es zu einer Coulomb'schen Anziehung. Diese Anziehung bildet eine Bindung heraus, die man als Wasserstoffbrückenbindung bezeichnet. Die Wasserstoffbrückenbindung führt zu einer Molekülvergrößerung. Die Molekülvergrößerung ihrerseits hat eine Siedepunktserhöhung des Stoffes zur Folge. Betrachten wir nun das chemische Element Stickstoff als Hauptbestandteil der Luft. Stickstoff besteht aus Stickstoffmolekülen N2. Stickstoff hat eine Elektronegativität von 3,0. Die trage ich nun über beide Stickstoffatome ab. Die Elektronegativitätsdifferenz ∆EN ergibt sich dann zu 0. Die Partialladungen an beiden Stickstoffatomen sind demzufolge jeweils 0. Im Gegensatz zum Wasser kommt es hier zu keiner Molekülvergrößerung und es kommt auch zu keiner Siedepunktserhöhung. Demzufolge ist es nur richtig und logisch, dass Wasser flüssig und Stickstoff, die Luft, gasförmig ist. Wasser hat eine sehr komplizierte Struktur. Den Bau des Wassers kann man sich vereinfacht vorstellen als bestehend aus 2 miteinander verbundenen Molekülen, in Wirklichkeit aber sind viele, viele Moleküle miteinander verbunden - und zum größten Teil durch Wasserstoffbrückenbindungen. Die Wasserstoffbrückenbindung hat direkte Auswirkung auf die Siedetemperaturen verschiedener Verbindungen. Betrachten wir zum Beispiel die Siedetemperaturen der Hydride H2X. X ist ein Element der VI. Hauptgruppe. Ich habe in der Grafik einmal die Siedetemperaturen gegen die Molmassen abgetragen. Man sieht hier, dass Wasser offensichtlich aus der Reihe tanzt - es siedet viel höher, als es sollte. Erst ab dem 2., zum 3. und schließlich 4. Vertreter, kommt es zu einer leichten Siedepunktserhöhung, offensichtlich infolge der Zunahme der Molmasse. Diese gewaltige Erhöhung der Siedetemperatur kann man durch die Herausbildung der Wasserstoffbrückenbindungen erklären. Ich möchte nun noch die einzelnen Formeln der Verbindungen eintragen: Wasser - H2O, dann Schwefelwasserstoff - H2S, gefolgt von Selenwasserstoff - H2Se und schließlich Tellurwasserstoff - H2Te. Ein ähnliches Bild erhalten wir, wenn wir die Siedetemperaturen der Alkane mit den Siedetemperaturen der Alkanole vergleicht. Ich habe die ersten 7 Vertreter der Alkane mit rot in die Grafik eingezeichnet. Die ersten 7 Vertreter der Alkanole habe ich blau markiert. Man sieht sehr schön, dass die Siedetemperaturen der Alkanole prinzipiell über den Siedetemperaturen der Alkane liegen. Das ist ein Ergebnis der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen. Die Differenz ∆T ist bei den ersten Vertretern besonders hoch und mit zunehmender Kettenlänge wird sie immer kleiner. Die Wasserstoffbrückenbindung hat sehr viele Auswirkungen auch auf unser Leben, die Lebensprozesse und Lebensvorgänge. Dank ihrer Wirkung können sich Proteine strukturieren. Die Wasserstoffbrückenbindung macht eine Existenz der Doppelhelix in der DNA überhaupt erst möglich. Und schließlich ist die Wasserstoffbrückenbindung ein essentieller Faktor bei der Wirkungsweise von Wirkstoffen und Arzneimitteln. Ich danke für eure Aufmerksamkeit, alles Gute - auf Wiedersehen!

15 Kommentare
15 Kommentare
  1. okay let's gooo

    Von Yazan, vor mehr als einem Jahr
  2. Okay vielen Dank!
    Das hat mir sehr geholfen :)))

    Von Sarahraedel, vor mehr als 8 Jahren
  3. Hallo Sarah,
    Die Elektronegativität ist das Maß für die Anziehung von Bindungselektronen. Bei Sauerstoff ist sie recht groß (3,5). Nur Fluor hat einen noch größeren Wert (4,0). Die große Elektronegativität von Sauerstoff ist erklärbar durch die hohe Kernladungszahl (+8, 8 Protonen) und die relative Kernnähe der Außenschale (L - Schale, 2. Schale). Daraus ergibt sich eine kräftige Anziehung der Außenelektronen (Valenzelektronen). In diesem Bereich bewegen sich auch die Bindungselektronen. Wasserstoff hat eine EN von 2,1. Das kann man ebenfalls wie beim Sauerstoff qualitativ begründen.
    Wenn das eine Teilchen (O) die Elektronen stärker anzieht als das andere (H), dann findet man dort eine negative Ladung und an der anderen Stelle eine positive Ladung. Der Rest ist triviale elektrostatische Anziehung (Coulomb - Kräfte).
    Anmerkung: Die Wasserstoffbrückenbindung kommt nicht nur durch Coulomb - Anziehung zustande. Aber zu einem erheblichen Teil und die Erklärung durch das beschriebene Modell ist schlüssig.
    Alles Gute+

    Von André Otto, vor mehr als 8 Jahren
  4. Das Video ist super!
    Aber ich habe mal eine Frage: Warum werden die Bindungselektronen stärker vom Sauerstoff angezogen?
    Was hat das mit der Elektronegativität zu tun? Bedeutet das, dass der Stoff mit der höheren Elektronegativität stärker anziehend auf die Bindungselektronen wirkt, als der andere Stoff?
    (Ganz zu Anfang des Videos)

    Danke :)

    Von Sarahraedel, vor mehr als 8 Jahren
  5. Vielen Dank für das Video. Sehr hilfreich und gut erklärt! :)

    Von Eva Maria Sontag, vor etwa 9 Jahren
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Wasserstoffbrückenbindung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wasserstoffbrückenbindung kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die physikalische Wechselwirkung der Wasserstoffbrückenbindung.

    Tipps

    Wie lautet die Summenformel von Wasser?

    Sauerstoff hat eine Elektronegativität von 3,5 und Wasserstoff eine von 2,1. Was hat diese Differenz für Auswirkungen?

    Lösung

    Damit Wasserstoffbrückenbindungen aufgebaut werden können, müssen Dipole vorhanden sein. Dipole sind Moleküle, die einen negativen und einen positiven Pol besitzen. Wie du nun weißt, ist Wasser $(H_2O)$ so ein Dipol.

    Es gibt aber noch weitere. Ammoniak $(NH_3)$ und Fluorwasserstoff $(HF)$ sind ebenfalls Dipole.

    Stickstoff besitzt eine Elektronegativität (EN) von 3,0 und Fluor hat einen EN-Wert von 4,0 (höchste EN). Sie ziehen, genauso wie Sauerstoff, die Bindungselektronen stärker an. Dadurch erhalten sie eine negative Partialladung und können mit dem positivierten Wasserstoff eine Wasserstoffbrückenbindung ausbilden.

  • Bestimme die Auswirkungen der Wasserstoffbrückenbindung.

    Tipps

    Welche Auswirkungen können zusätzliche Kräfte innerhalb einer Verbindung haben?

    In einem flüssigen Stoff herrscht mehr Wechselwirkung zwischen den Teilchen als in einem gasförmigen.

    Lösung

    Wasserstoffbrückenbindungen zählen zu den physikalischen Wechselwirkungen zwischen Molekülen. Durch die Anziehung zwischen Wasserstoffatomen und den stark elektronegativen Atomen anderer Moleküle kommt es insgesamt zu einer Molekülvergrößerung. Dies hat eine Erhöhung der Schmelz- und Siedetemperatur zur Folge.

    Diese stoffspezifischen Temperaturen werden von der Größe der Moleküle und ihren funktionellen Gruppen stark beeinflusst. Das folgende Beispiel macht dies deutlich:

    Hexan-3-ol besteht aus einer Kette mit sechs Kohlenstoffatomen und einer Hydroxygruppe. Nur an dieser polaren Hydroxygruppe kann eine Wasserstoffbrückenbindung entstehen. Diese Verbindung besitzt eine Siedetemperatur von 135°C.

    Im Vergleich dazu hat 1,6-Hexandiol ebenfalls eine Kette mit sechs Kohlenstoffatomen, aber zwei Hydroxygruppen. Dies hat eine drastische Erhöhung des Siedepunkts zur Folge, da mehr Wasserstoffbrückenbindungen bestehen. Der Siedepunkt liegt bei 253-260°C.

    Der Siedepunkt von Oktanol liegt bei 195°C und somit zwischen dem von Hexan-3-ol und 1,6-Hexandiol. Grund dafür ist, dass es mit acht Kohlenstoffatomen eine größere Kettenlänge als Hexanol aufweist und nur eine OH-Gruppe hat, also eine weniger als Hexandiol.

  • Entscheide, welche Verbindungen Wasserstoffbrückenbindungen bilden und welche nicht.

    Tipps

    Welche funktionelle Gruppe besitzen die Moleküle?

    Welche Elektronegativitätsdifferenzen gibt es im Molekül?

    Lösung

    Wie du siehst, bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen nur aus, wenn das Molekül polare Gruppen besitzt. Ein Wasserstoffatom muss dabei an ein stark elektronegatives Atom, wie zum Beispiel $O$, $N$ oder $F$, gebunden sein.

    Durch die hohe Eleoktronegativitätsdifferenz $Δ~EN$ kommt es zu einer Verschiebung der Bindungselektronen zum elektronegativeren Partner hin. Es entstehen Partialladungen. Dies sind keine vollständigen Ladungen, sondern eine Verlagerung der Ladungen innerhalb des Moleküls.

    Ein Wasserstoffatom mit dem positiven Ladungsschwerpunkt wird nun, durch coulombsche Anziehungskräfte, vom negativen Ladungsschwerpunkt eines anderen Moleküls angezogen. Eine Wasserstoffbrückenbindung ist entstanden.

    $CO_2$, $C_2H_6$ und $H_3C-O-CH_3$ bilden keine Wasserstoffbrückenbindungen aus, da die $Δ~EN$ zwischen den Atomen innerhalb der einzelnen Moleküle zu gering ist.

  • Ermittle die Siedetemperaturen der folgenden Verbindungen.

    Tipps

    Sowohl die Länge der Kohlenstoffkette, wie auch die Bildung von Wassertoffbrückenbindungen erhöhen die Siedetemperatur deutlich.

    $C_3H_8O_3$ ist Glycerin. Es ist ein 3-wertiger Alkohol.

    Lösung

    Allgemein kann man festhalten, dass Wasserstoffbrückenbindungen die Siedetemperatur erhöhen.

    Vergleicht man die Alkane (Kohlenwasserstoffe) mit ihren entsprechenden Alkoholen, so stellt man fest, dass die Alkohole immer eine höhere Siedetemperatur aufweisen.

    • Ethan $(C_2H_6)$ Siedepunkt: -89°C
    • Ethanol $(C_2H_5OH)$ Siedepunkt: 78°C
    Mehrere polare Gruppen, wie die OH-Gruppe, haben mehr Wasserstoffbrückenbindungen zur Folge. Dadurch wird die Siedetemperatur weiter erhöht. Dies ist hier beim Glycerin der Fall.

    Auch die Länge der Kohlenstoffkette spielt für die Siedetemperatur eine wichtige Rolle. Sie nimmt mit steigender Länge zu. Das liegt daran, dass mehr Energie aufgewendet werden muss, um größere Moleküle aus der flüssigen Phase herauszulösen.

  • Benenne die Bereiche, in denen Wasserstoffbrückenbindungen eine große Rolle spielen.

    Tipps

    Benzin besteht aus verschiedenen unpolaren Kohlenwasserstoffen.

    Proteine bilden sehr große räumliche Strukturen. Wie bilden sich diese und was hält sie zusammen?

    Lösung
    • Die einzelnen Bausteine der DNA (Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin) werden durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten und geben so der DNA die bekannte Doppelhelixform.
    • Proteine haben unterschiedliche Strukturelemente: Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur. Die Wasserstoffbrückenbindungen stabilisieren in der Sekundärstruktur zum Beispiel die Strukturelemente der α-Helix und des β-Faltblatts. Auch die Tertiär- und Quartärstruktur können sich erst durch die Wasserstoffbrückenbindungen bilden.
    • Viele Wirkstoffe von Medikamenten können sich besser an die Biomoleküle (zum Beispiel Enzyme) in unserem Körper anlagern, wenn sie Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden können. Dadurch gelangen die Wirkstoffe dorthin, wo sie benötigt werden.
  • Bestimme die Aggregatzustände der folgenden Verbindungen bei Raumtemperatur.

    Tipps

    Kennst du einige der Stoffe aus deinem Alltag? Welchen Aggregatszustand haben sie?

    Welche Kräfte wirken innerhalb der Stoffe? Wie beeinflussen sie die Aggregatzustände?

    Lösung

    Alle Stoffe um dich herum haben einen Aggregatszustand. Dieser ist entweder fest, flüssig oder gasförmig. In welchem davon der Stoff bei Raumtemperatur vorliegt, hängt von der Größe der Teilchen, aus denen er aufgebaut ist, und von den Kräften innerhalb des Stoffes ab.

    Der Aggregatzustand ist abhängig von Druck ($p$) und Temperatur ($T$). Jeder Stoff hat charakteristische Schmelz- und Siedepunkte. Diese kannst du dem Phasendiagramm des jeweiligen Stoffes entnehmen. Somit kann also jeder Stoff in allen drei Aggregatzuständen vorliegen.

    In einem Feststoff sind die Teilchen an ihren Platz gebunden. Sie können aber an diesem Platz „schwingen“. Je höher die Temperatur, desto heftiger wird diese Schwingung. Irgendwann übersteigt die Energie der Schwingung die Kräfte, die den Feststoff zusammenhalten. Dann ist der Schmelzpunkt erreicht, an dem der Übergang zur flüssigen Phase beginnt.

    In Flüssigkeiten können sich die Teilchen zwar frei bewegen, sie wechselwirken aber noch stark miteinander. Es kann weiter Energie aufgenommen werden, wodurch sich die Teilchen noch schneller bewegen. Ab einem bestimmten Punkt (Siedepunkt) ist diese Energie dann so groß, dass der Übergang in die Gasphase beginnt. In einem Gas liegen die Teilchen sehr weit auseinander, wodurch die Wechselwirkung zwischen ihnen sehr schwach ist.