Wasserstoffbrückenbindung

Wasserstoffbrückenbindung – Chemie

Ihr kennt sicherlich die drei klassischen Aggregatzustände 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.

Warum ist Wasser flüssig?

Schauen wir uns die molare Masse von Wasser ($\ce{H2O}$) an. Diese liegt mit $\pu{18 g//mol}$ deutlich unter der molaren Masse von Stickstoff ($\ce{N2}$), 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.

Bindungsarten zwischen Molekülen

Es gibt verschiedene zwischenmolekulare Wechselwirkungen, die auf der elektrostatischen Anziehung zwischen Teilchen beruhen. Diese Anziehung nennt man auch Coulombkraft und sie führt zur Ausbildung der Van‑der‑Waals‑Kräfte sowie der Dipol‑Dipol‑Wechselwirkungen. Einen Spezialfall dieser Dipol‑Dipol‑Wechselwirkungen stellt die Wasserstoffbrückenbindung dar. Doch was genau ist eine Wasserstoffbrückenbindung?

Wasserstoffbrückenbindung – Definition und Entstehung

Die Wasserstoffbrückenbindung tritt zwischen permanenten Dipolmolekülen oder Teilen von ihnen auf, an denen Wasserstoff ($\ce{H}$) beteiligt ist. Sie ist die stärkste Wechselwirkung zwischen Molekülen. Ein positiv polarisiertes Wasserstoffatom zieht dabei das freie Elektronenpaar eines Atoms von einem weiteren Dipolmolekül an. Dipolmoleküle entstehen, wenn Atome mit unterschiedlichen Elektronegativitätswerten eine kovalente Bindung eingehen. Dabei muss die Differenz der Elektronegativitätswerte ausreichend groß sein, um einen Dipolmoment zu erzeugen. Genau solche Dipolmoleküle entstehen auch, wenn Wasserstoff kovalente Bindungen mit stark elektronegativen Elementen eingeht. Sehr hohe Elektronegativitäten ($EN$) im Periodensystem finden wir z. B. für Fluor ($\ce{F}$: $\ce{4,0}$), Sauerstoff ($\ce{O}$: $\ce{3,5}$) und Stickstoff ($\ce{N}$: $\ce{3,0}$). Kohlenstoff ($\ce{C}$: $\ce{2,5}$) und Wasserstoff ($\ce{H}$: $\ce{2,1}$) weisen hingegen niedrige Elektronegativitätswerte auf. Elemente mit hohen Elektronegativitätswerten ziehen die bindenden Elektronen im Molekül sehr stark zu sich. Dadurch entsteht eine asymmetrische Ladungsverteilung und sogenannte Partialladungen bilden sich heraus: Im Falle des Wassermoleküls entsteht eine positive Partialladung auf der Seite des Wasserstoffatoms und eine negative beim Bindungspartner Sauerstoff.

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 $(\Delta EN)$ abweichend. Eine Tendenz zu höheren oder geringeren Differenzen der Elektronegativitätswerte gibt dir jedoch schon einen Hinweis auf die Art der Bindung.

Wasserstoffbrückenbindung – Bindungsenergie und Stärke

Die Wasserstoffbrückenbindung ist die stärkste unter den zwischenmolekularen Kräften. Die Bindungsenergie liegt zwar unter jener der Atombindung, dennoch beeinflussen die Wasserstoffbrücken viele wichtige Eigenschaften von Verbindungen wie z. B. den Schmelz- und Siedepunkt. Bei einigen Substanzen sind solche 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. Du kennst auch eine solche Substanz: Zucker.

Bei den Wasserstoffbrückenbindungen unterscheiden wir drei Ausprägungen:

• starke Wasserstoffbrücken mit einer Bindungsenergie von $\pu{63 - 167 kJ//mol}$ (z. B. Fluorwasserstoff $\ce{HF}$)
• Wasserstoffbrücken mit mittleren Bindungsenergien zwischen $\pu{17 - 63 kJ//mol}$ (z. B. Wasser $\ce{H2O}$ und Kohlenhydrate)
• sehr schwache Wasserstoffbrücken mit einer Bindungsenergie kleiner $\pu{17 kJ//mol}$ (Proteine)

Wasserstoffbrückenbindung im Wasser

Im Wassermolekül liegt an den beiden Wasserstoffen eine positive, am Sauerstoff eine negative Partialladung vor. Dadurch, dass das Wassermolekül gewinkelt ist, kann sich so ein Dipol herausbilden. Der negative Ladungsschwerpunkt liegt dann beim Sauerstoffatom, der positive aufseiten der Wasserstoffatome.

Einfach erklärt kann man sagen, dass vom Wasserstoffatom des einen Moleküls eine Brücke zum Sauerstoffatom eines anderen Wassermoleküls besteht. Diese Brücke ist keine wirkliche chemische Bindung und wirkt daher auch nicht so stark wie die Bindungskräfte innerhalb des einzelnen Wassermoleküls.

Wasserstoffbrücken im flüssigen Zustand

Wasserstoffbrücken bestehen immer nur für winzige Bruchteile von Sekunden. Sie werden also ständig aufgelöst und neu gebildet. Die Wasserstoffbrücke reicht jedoch aus, um zu einer 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. Bis auf Wasser $(ce{H2O})$ sind diese bei Raumbedingungen alle gasförmig und zeigen nur eine leichte Siedepunktserhöhung aufgrund ihrer steigenden molaren Masse.

Wasserstoffbrücken im festen Zustand

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

Wasserstoffbrückenbindung – Beispiele und Auswirkungen

Neben Wasser ($\ce{H2O}$) gibt es viele weitere Verbindungen, in denen Wasserstoffbrücken eine große Rolle spielen. Dies sind z. B. Fluorwasserstoff ($\ce{HF}$), Ammoniak ($\ce{NH3}$) und Chlorwasserstoff ($\ce{HCl}$). 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. Auch die komplementären Basenpaare in der Doppelhelix der DNA sind über schwache Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft. Die Wirkstoffe von Arzneimitteln 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.