Chemie für Laien

Wasserstoffbindung

Die Anziehungskraft zwischen Wassermolekülen ist eine Dipolwechselwirkung. Die Wasserstoffatome sind an das hoch elektronegative Sauerstoffatom gebunden (das auch zwei einsame Elektronenpaare besitzt, wodurch eine sehr polare Bindung entsteht). Das teilweise positive Wasserstoffatom eines Moleküls wird dann vom Sauerstoffatom eines benachbarten Wassermoleküls angezogen (siehe Abbildung unten).

Abbildung 1. Eine Wasserstoffbindung in Wasser entsteht zwischen dem Wasserstoffatom eines Wassermoleküls und dem einsamen Elektronenpaar an einem Sauerstoffatom eines benachbarten Wassermoleküls.

Eine Wasserstoffbindung ist eine intermolekulare Anziehungskraft, bei der ein Wasserstoffatom, das kovalent an ein kleines, hoch elektronegatives Atom gebunden ist, von einem einsamen Elektronenpaar an einem Atom in einem benachbarten Molekül angezogen wird. Wasserstoffbrückenbindungen sind im Vergleich zu anderen Dipolwechselwirkungen sehr stark. Die Stärke einer typischen Wasserstoffbindung beträgt etwa 5 % der Stärke einer kovalenten Bindung.

Wasserstoffbindungen treten nur in Molekülen auf, in denen der Wasserstoff kovalent an eines der drei Elemente Fluor, Sauerstoff oder Stickstoff gebunden ist. Diese drei Elemente sind so elektronegativ, dass sie den größten Teil der Elektronendichte in der kovalenten Bindung mit Wasserstoff abziehen, so dass das H-Atom einen großen Elektronenmangel aufweist. Das H-Atom verhält sich fast wie ein nacktes Proton, was dazu führt, dass es sehr stark von einsamen Elektronenpaaren an einem nahe gelegenen Atom angezogen wird.

Die Wasserstoffbrückenbindungen, die in Wasser auftreten, führen zu einigen ungewöhnlichen, aber sehr wichtigen Eigenschaften. Die meisten molekularen Verbindungen, die eine ähnliche Masse wie Wasser haben, sind bei Raumtemperatur Gase. Aufgrund der starken Wasserstoffbrückenbindungen können die Wassermoleküle im flüssigen Zustand kondensiert bleiben. Die folgende Abbildung zeigt, wie die gebogene Form und die zwei Wasserstoffatome pro Molekül es jedem Wassermolekül ermöglichen, Wasserstoffbrückenbindungen mit zwei anderen Molekülen einzugehen.

Abbildung 2. Aufgrund seiner gekrümmten Form und des Vorhandenseins von zwei Wasserstoffatomen pro Molekül treten in Wasser gleichzeitig mehrere Wasserstoffbrückenbindungen auf.

Im flüssigen Zustand können die Wasserstoffbrückenbindungen von Wasser brechen und sich neu bilden, wenn die Moleküle von einem Ort zum anderen fließen. Wenn Wasser abgekühlt wird, werden die Moleküle langsamer. Wenn Wasser schließlich zu Eis gefriert, werden die Wasserstoffbrücken dauerhaft und bilden ein sehr spezifisches Netzwerk.

Abbildung 3. Wenn Wasser zu Eis gefriert, wird das Wasserstoffbindungsnetzwerk dauerhaft. Jedes Sauerstoffatom hat eine annähernd tetraedrische Geometrie – zwei kovalente Bindungen und zwei Wasserstoffbrückenbindungen.

Die gebogene Form der Moleküle führt zu Lücken im Wasserstoffbrückenbindungsnetz von Eis. Eis hat die sehr ungewöhnliche Eigenschaft, dass sein fester Zustand eine geringere Dichte hat als sein flüssiger Zustand. Eis schwimmt in flüssigem Wasser. Praktisch alle anderen Stoffe sind im festen Zustand dichter als im flüssigen Zustand. Wasserstoffbrücken spielen eine sehr wichtige biologische Rolle in den physikalischen Strukturen von Proteinen und Nukleinsäuren.

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