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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!

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14 Kommentare
  1. Default

    Okay vielen Dank!
    Das hat mir sehr geholfen :)))

    Von Sarahraedel, vor mehr als einem Jahr
  2. 001

    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 einem Jahr
  3. Default

    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 einem Jahr
  4. Default

    Vielen Dank für das Video. Sehr hilfreich und gut erklärt! :)

    Von Eva Maria Sontag, vor fast 2 Jahren
  5. C.sarimese

    Ihre Videos sind der Hammer

    Von Measy 67, vor fast 2 Jahren
  1. 001

    Lieber Lukas,

    wichtig ist nicht nur die Zahl sondern auch die Stärke dieser Bindungen. Aber grundsätzlich hast du recht.

    Alles Gute

    Von André Otto, vor etwa 2 Jahren
  2. Rtzdfhfgh

    Super Video!
    Danke!
    Ist es so dass je mehr Wasserstoffbrückenbindungen ich habe, um so höher wird der Siedepunkt?
    Viele Grüße
    Lukas

    Von Luggiii, vor etwa 2 Jahren
  3. Default

    Danke für die schnelle Antwort!! Hab nicht damit gerechnet, dass ich so rasch eine bekomme und die Erklärung hat mir wirklich weitergeholfen!
    Ih wünschte in meiner Schule gäbe es mehr von Lehrern, die nicht alles 50x schwerer machen, als es eigentlich ist.

    Von Lea Brucks, vor etwa 3 Jahren
  4. 001

    Über eines muss man sich Klarheit verschaffen: Die Molmasse ist ein direktes Maß für die Masse eines Teilchens (Molekülmasse) eines Stoffes. (Wir betrachten hier nur solche Stoffe, die aus relativ isolierten Molekülen bestehen, so wie Wasser H2O, Ammoniak NH3, Methan CH4 oder Methanol CH3OH.)
    In festen Stoffen sind die Teilchen stark geordnet. Viel beweglich sind sie in Flüssigkeiten. In Gasen sind die Teilchen fast frei beweglich.
    Um vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand zu gelangen, muss den Teilchen Energie in Form von Wärme zugeführt werden. Die Temperatur wird gekennzeichnet durch die kinetische Energie der Teilchen. Nun gilt aber: E(kin) = 1/2(m*v**2). Das bedeutet, dass sich bei einer bestimmten Temperatur große Teilchen langsamer bewegen als kleine Teilchen. Denn bei T = konst. ist auch E(kin) = konst. Wenn die Masse der Teilchen (große Teilchen) groß ist, muss ihre Geschwindigkeit klein sein. Bei kleinen Teilchen (geringe Masse) ist die Geschwindigkeit groß. Daher gehen Stoffe, die aus kleinen Teilchen bestehen, eher in den gasförmigen Zustand über als solche aus großen Teilchen.
    Dass das so ist, kann man sehr schön an den Schmelz- und Siedetemperaturen der Edelgase sehen. Schau dir die Seite bei wikipedia an, blättere nach unten, dort kommt eine Grafik, die das sehr schön darstellt. Diese Information ist deshalb so instruktiv, weil die Atome der Edelgase praktisch untereinander keine Kräfte aufweisen (van der Waals kaum, WBB wie beim Wasser schon gar nicht). Wichtigste Aussage der Grafik: Je höher die Atommasse (Molmasse) eines Edelgases, um so höher schmilzt/siedet es.
    Mit meiner bildlichen Darstellung wollte ich nur sagen, dass die Wassermoleküle durch die WBB praktisch vergrößert werden. Die Siedetemperaturen der hypothetischen Teilchen wachsen dann in der Reihenfolge:
    H2O < (H2O)2 < (H2O)3 < (H2O)4 usw.
    Natürlich sind die durch die WBB entstandenen Teilchen keine stabilen Moleküle. Aber für eine qualitative Erklärung sollte es reichen.
    Alternative Erklärung: Durch Wärmezufuhr müssen erst die WBB des Wassers aufgebrochen werden, erst dann kommt es zum Sieden. Daher ist die Siedetemperatur des Wassers relativ hoch.
    Danke für die klugen Fragen.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor etwa 3 Jahren
  5. Default

    Erstmal danke, dass es hierzu überhaupt ein Video gibt, dass auch wirklich mit seinem Inhalt vollständig ist und es Schritt für Schritt erklärt.
    Allerdings habe ich noch zwei Fragen.
    Ich habe mir das mehrfach angeschaut und mir auch weitere Videos hierzu, doch ich verstehe nicht, wieso was die Molmasse mit dem Aggregatzustand zu tun hat.
    Zudem habe ich noch nicht verstanden, wie die Wasserstoffbrückenbindung eine Molekülvergrößerung und eine Siedepunkterhöhung bewirken kann!?
    Danke~

    Von Lea Brucks, vor etwa 3 Jahren
  6. Default

    Vielen Dank für die Antwort, es macht mich immer froh festzustellen, dass noch nicht alles wissenschaftlich erklärt ist (besonders bei "Schulstoff").
    Viele Grüsse, Taz

    Von Taz, vor etwa 4 Jahren
  7. 001

    Rechtschreibfehler: Tut mir leid, die Schrift ist sehr klein und ermüdend.

    Von André Otto, vor etwa 4 Jahren
  8. 001

    Hallo,

    diesen Effekt kann man bei vielen homologen Reihen beobachten. Bei den alpha-omega-Dicarbonsäuren gibt es sogar eine Zickzack-Kurve. Man nennt das auch "Even-Odd-Effect", je nachdem, ob man eine gerade oder ungerade Anzahl von Kohlenstoffatomen hat.
    Eine einfache Erklärung gibt es nicht: Am besten ist noch die Vorstellung, dass es bei geraden und ungeraden Homologen unterschiedliche Symmetrien in der Packung (fest) gibt. Daher ist die Ordnung (Entropie) verschieden und die Schmelzpunkte haben die Tendenz "Größer-Kleiner".
    Überwieggt der Enthalpieanteil, so entsteht keine echte Zickzack-Kurve. Man spricht dann von einem Effekt zweiter Ordnung.
    Im übrigen tanzt Methan noch aus der Reihe, weil es keine Alkylgruppen-Gruppen hat. Du merkst schon, die Fragge war gut und die Antwort ist nicht einfach. Ich kann sie dir nur andeuten.

    Danke für dein Interesse

    Alles Gute und viel Erfolg

    André

    Von André Otto, vor etwa 4 Jahren
  9. Default

    Guten Tag,
    Das war einer der Besten hilfreichsten Videos bisher. Eine Frage stell ich mir und zwar, weshalb die alkanole einen nicht linearen Schmelzpunkt haben (graphisch gesehen)

    Methanol: -98
    Ethanol -117
    Butanol -89
    Warum dieser Wendepunkt?

    Danke!

    Von Taz, vor etwa 4 Jahren
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