Über 1,6 Millionen Schüler*innen nutzen sofatutor!
  • 93%

    haben mit sofatutor ihre Noten in mindestens einem Fach verbessert

  • 94%

    verstehen den Schulstoff mit sofatutor besser

  • 92%

    können sich mit sofatutor besser auf Schularbeiten vorbereiten

Wasserstoffbrückenbindungen

Die Wasserstoffbrückenbindung ist die stärkste zwischenmolekulare Kraft und entsteht durch elektrostatische Anziehung zwischen Dipolmolekülen, die Wasserstoffatome tragen. Die Wasserstoffbrückenbindung ist in der Lage, signifikante Auswirkungen auf eine Vielzahl chemischer und biologischer Systeme zu haben. Sie beeinflusst wichtige Eigenschaften wie Schmelz- und Siedepunkte sowie Molekülstrukturen in Proteinen und DNA.

Du möchtest schneller & einfacher lernen?

Dann nutze doch Erklärvideos & übe mit Lernspielen für die Schule.

Kostenlos testen
Du willst ganz einfach ein neues Thema lernen
in nur 12 Minuten?
Du willst ganz einfach ein neues
Thema lernen in nur 12 Minuten?
  • Das Mädchen lernt 5 Minuten mit dem Computer 5 Minuten verstehen

    Unsere Videos erklären Ihrem Kind Themen anschaulich und verständlich.

    92%
    der Schüler*innen hilft sofatutor beim selbstständigen Lernen.
  • Das Mädchen übt 5 Minuten auf dem Tablet 5 Minuten üben

    Mit Übungen und Lernspielen festigt Ihr Kind das neue Wissen spielerisch.

    93%
    der Schüler*innen haben ihre Noten in mindestens einem Fach verbessert.
  • Das Mädchen stellt fragen und nutzt dafür ein Tablet 2 Minuten Fragen stellen

    Hat Ihr Kind Fragen, kann es diese im Chat oder in der Fragenbox stellen.

    94%
    der Schüler*innen hilft sofatutor beim Verstehen von Unterrichtsinhalten.
Bewertung

Ø 4.7 / 19 Bewertungen
Die Autor*innen
Avatar
Team Digital
Wasserstoffbrückenbindungen
lernst du in der Sekundarstufe 2. Klasse - 3. Klasse - 4. Klasse - 5. Klasse

Grundlagen zum Thema Wasserstoffbrückenbindungen

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 Wasserstoffbrückenbindungen

Du denkst ein Video mit so einem Titel kann ja nur schnödes theoretisches Chemie-Gebrabbel enthalten? Tja, dann wusstest du bislang vielleicht noch nicht, dass sich dahinter der Grund verbirgt, weswegen wir sowohl gefrorenes als auch flüssiges Wasser auf unserer Erde, Schneeflocken ihre besondere Form, und bestimmte Strukturen in unserem Körper ihre Form und Stabilität haben. Es ist also wahrlich EXISTENTIELL! Na dann wollen wir mal: in diesem Video geht es um die "Wasserstoffbrückenbindung". Okay, großspurig einsteigen ist ja schön und gut, wir starten jedoch lieber ganz klein und von vorne: Was ist eigentlich eine Wasserstoffbrückenbindung? Dahinter verbirgt sich eine sogenannte "zwischenmolekulare Wechselwirkung". Das heißt, es ist keine chemische Bindung innerhalb eines Moleküls, wie es bei Atombindungen oder Ionenbindungen der Fall ist, sondern vielmehr eine Anziehungskraft, die innerhalb eines oder zwischen mehreren Molekülen besteht. Wasserstoffbrückenbindungen können also "INTRAmolekular" oder "INTERmolekular" ausgebildet werden. Darauf gehen wir später noch einmal genauer ein. Zunächst wollen wir uns aber ansehen, wie eine Wasserstoffbrückenbindung entsteht. Essentiell dafür ist erst einmal Wasserstoff – wow okay, DAS hättet ihr euch vermutlich auch ohne dieses Video zusammenreimen können. Machen wir weiter. Für eine Wasserstoffbrückenbindung ist es besonders relevant, WAS an dem Wasserstoff gebunden ist. Sie entsteht nämlich zwischen Molekülen, wenn stark elektronegative Atome über ein Wasserstoffatom in Verbindung stehen. Was soll DAS denn jetzt heißen? Um das genauer zu erklären, sehen wir uns einmal das "polare Molekül" Wasser an. Polar ist in diesem Fall nämlich die Bindung zwischen dem Sauerstoffatom und den jeweiligen Wasserstoffatomen. Das ist darauf zurückzuführen, dass Sauerstoff deutlich elektronegativer ist als Wasserstoff. Was bedeutet, dass die Elektronen in der bestehenden Bindung von dem Sauerstoffatom angezogen werden. Dadurch entsteht eine negative Teilladung, oder auch Partialladung, des Sauerstoffs. Entsprechend ist Wasserstoff teilweise positiv geladen. Die Partialladung wird mit einem "delta" und der entsprechenden Ladung angegeben. Du siehst also: durch die Partialladungen haben wir in unserem Wasser-Molekül zwei Pole. Man spricht auch von einem Dipol. Sind nun mehrere Wassermoleküle nebeneinander, richten sich die Moleküle SO aus, dass sich Plus- und Minuspole anziehen. Und tadaaaa: eine Wasserstoffbrückenbindung ist entstanden. Wie elektronegativ ein Element ist, kannst du übrigens in der Regel dem Periodensystem entnehmen. Je höher der Wert, desto elektronegativer. Entsprechend gilt auch: je größer der Unterschied der Elektronegativität des Wasserstoffs und des Bindungspartners, desto stärker die Wasserstoffbrückenbindung. Sauerstoff hat eine Elektronegativität von drei Komma vier und Wasserstoff von zwei Komma zwei. Sauerstoff zieht also die Elektronen in der Bindung an sich. Apropos Bindungsstärke! Von allen zwischenmolekularen Wechselwirkungen ist die Wasserstoffbrückenbindung die Stärkste. Van-der-Vaals-Kräfte und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen weisen im Vergleich etwas schwächere Anziehungen auf. Chemische Bindungen wie die Atombindung oder die Ionenbindung sind jedoch deutlich stärker als Wasserstoffbrückenbindungen. Das bedeutet aber gar nicht, dass sie weniger wichtig sind! Ganz im Gegenteil sogar! Einige typische Eigenschaften von Wasser sind, wie eingangs erwähnt, unter anderem auf Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen. So zum Beispiel die für die Größe des Moleküls untypisch hohe Siedetemperatur von einhundert Grad Celsius. Durch die Wasserstoffbrückenbindungen werden die Moleküle sehr fest zusammengehalten, wodurch der Übergang von flüssig zu gasförmig erst bei höheren Temperaturen stattfinden kann. Wäre auch ganz schön blöd, wenn Wasser schon bei fünfundzwanzig Grad verdampfen würde, oder? Ohne Wasserstoffbrückenbindungen könntest du im Sommer also nicht in den Pool oder ins Meer hüpfen. Und wir wollen uns lieber nicht ausmalen, was das mit dem Wasser in unserem Körper bedeuten würde. Wie sieht es mit den schwimmenden Eiswürfeln im Getränk aus? Eigentlich weisen feste Stoffe eine höhere Dichte auf als flüssige. Müssten Eiswürfel dann nicht untergehen? Tjaaa, diese Regel gilt nicht bei Wasser. Diese sogenannte "Dichteanomalie" ist auf die Anordnung der Wassermoleküle im festen Zustand zurückzuführen. Die Wassermoleküle ordnen sich durch Wasserstoffbrückenbindungen SO an, dass in ihrer Mitte ein Leerraum entsteht. Dieser ist für die geringere Dichte im festen Zustand, also als Eis, verantwortlich. Genau diese Sechseck-Anordnung setzt sich auf höherer Ebene fort und sorgt damit auch für die schön symmetrische Form der Schneeflocken. Ganz schön cool, was? Aber auch wenn wir uns weg von Wasser bewegen, spielen Wasserstoffbrückenbindung eine wichtige Rolle. So zum Beispiel in unserem Körper. Sauerstoff- und Wasserstoffatome kommen schließlich auch in organischen Molekülen vor. Die DNA in unserem Körper wird durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert – Proteine ebenso. Und wir stabilisieren nun das Wissen was wir durch dieses Video erlangt haben und fassen zusammen: Wasserstoffbrückenbindungen gehören zu den zwischenmolekularen Wechselwirkungen. Die Anziehung der Moleküle beruht dabei auf den durch Unterschiede in der Elektronegativität entstehenden Dipolen. Sie entsteht zwischen einem gebundenen Wasserstoffatom und einem stark elektronegativen Atom. Obwohl Wasserstoffbrückenbindungen weniger stark sind als chemische Bindungen, ist eine Welt ohne sie kaum vorzustellen. Du siehst also: In der Chemie lohnt es sich, sich nicht von trocken klingenden Titeln abschrecken zu lassen. Verstehen wir doch jetzt die Welt gleich ein bisschen besser.

1 Kommentar
1 Kommentar
  1. Süß.
    Bitte mehr solche Videos mit eingebauten Tieren.
    Klasse Idee!

    Von Kirill, vor 3 Monaten

Wasserstoffbrückenbindungen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wasserstoffbrückenbindungen kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, was eine Wasserstoffbrückenbindung ist.

    Tipps

    Es gibt zwei richtige Antworten.

    Wasserstoffbrückenbindungen gehören nicht zu den klassischen Bindungen wie die Atom- oder Ionenbindungen.

    Lösung

    Eine Wasserstoffbrückenbindung ist eine sogenannte zwischenmolekulare Wechselwirkung. Das heißt, es ist keine chemische Bindung innerhalb eines Moleküls – wie es bei Atombindungen oder Ionenbindungen der Fall ist –, sondern vielmehr eine Anziehungskraft, die zwischen Molekülen besteht.

    Sie entsteht, wenn ein positiv polarisiertes Wasserstoffatom durch eine Anziehungskraft mit einem elektronegativen Atom eines anderen Moleküls interagiert.
    Ein typisches Beispiel hierfür ist die Ausbildung einer Wasserstoffbrückenbindung zwischen Wasserstoff ($\ce{H}$) und Sauerstoff ($\ce{O}$) zwischen Wassermolekülen, wie es in der Abbildung blau dargestellt ist. In diesem Fall bildet der Wasserstoff des einen Wassermoleküls eine Wasserstoffbrückenbindung mit dem Sauerstoff des benachbarten Wassermoleküls.

  • Definiere die Fachbegriffe.

    Tipps
    • „intra“ = innerhalb
    • „di“ = zwei

    Sauerstoff ist stark elektronegativ, weil er Bindungselektronen sehr stark anzieht.

    Lösung

    Eine intramolekulare Wechselwirkung ist die Anziehungskraft innerhalb eines Moleküls, die intermolekulare Wechselwirkung beschreibt die Anziehungskraft zwischen den Molekülen.

    Für eine Wasserstoffbrückenbindung ist es besonders relevant, was an dem Wasserstoff gebunden ist. Sie entsteht nämlich zwischen Molekülen, wenn stark elektronegative Atome über ein Wasserstoffatom in Verbindung stehen.

    Elektronegativität ist das Maß für die Fähigkeit von Atomen, Bindungselektronen an sich zu ziehen. Das Element Sauerstoff zum Beispiel weist eine hohe Elektronegativität auf. Das heißt, es zieht die Elektronen der Atombindung sehr stark an sich. Dadurch entsteht eine negative Teilladung bzw. Partialladung am Sauerstoffatom und entsprechend am Wasserstoffatom eine positive Partialladung. Durch die Partialladungen gibt es im Wassermolekül zwei Pole mit unterschiedlicher Teilladung. Man spricht auch von einem Dipol.

  • Vergleiche die Bindungsstärke der Bindungsarten.

    Tipps

    Chemische Bindungen sind deutlich stärker als Wasserstoffbrückenbindungen.

    Die Ionenbindung und die Atombindung sind chemische Bindungen.

    Van-der-Waals-Kräfte und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen weisen im Vergleich etwas schwächere Anziehungen als Wasserstoffbrückenbindungen auf.

    Lösung

    Von allen intermolekularen (= zwischenmolekularen) Wechselwirkungen ist die Wasserstoffbrückenbindung die stärkste. Van-der-Vaals-Kräfte und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen weisen im Vergleich etwas schwächere Anziehungen auf. Chemische Bindungen wie die Atombindung oder die Ionenbindung sind jedoch deutlich stärker als Wasserstoffbrückenbindungen.

    Das bedeutet aber nicht, dass Wasserstoffbrückenbindungen weniger wichtig sind: Einige typische Eigenschaften von Wasser sind unter anderem auf Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen. Beispielsweise hat Wasser für die Größe des Moleküls eine untypisch hohe Siedetemperatur von $100\,\pu{°C}$. Durch die Wasserstoffbrückenbindungen werden die Moleküle sehr fest zusammengehalten, weshalb der Übergang von flüssig zu gasförmig erst bei höheren Temperaturen stattfinden kann.

  • Gib an, welchen Einfluss die Wasserstoffbrückenbindungen in der Verbindung Wasser haben.

    Tipps

    Die Verbindung Wasser besteht aus Wasserstoff und Sauerstoff.

    Eiswürfel schwimmen auf dem flüssigen Wasser. Das liegt an der geringeren Dichte des Wassers im festen Zustand.

    Lösung

    Eine Wasserstoffbrückenbindung bildet sich zwischen Molekülen, wenn stark elektronegative Atome über ein Wasserstoffatom in Verbindung sind, zum Beispiel bei der Verbindung Wasser.
    Sauerstoff ist deutlich elektronegativer als Wasserstoff und zieht deshalb die Elektronen in der Atombindung an sich. Dadurch entsteht eine negative Teilladung bzw. Partialladung am Sauerstoffatom und entsprechend am Wasserstoffatom eine positive Partialladung. Insgesamt entsteht ein Dipol.

    Sind nun mehrere Wassermoleküle nebeneinander, richten sich die Moleküle so aus, dass sich Plus- und Minuspole anziehen: Eine Wasserstoffbrückenbindung ist entstanden.
    Wie elektronegativ ein Element ist, kannst du dem Periodensystem der Elemente entnehmen: Je höher der Wert ist, desto elektronegativer ist das Element. Entsprechend gilt auch: Je größer der Unterschied der Elektronegativität zwischen Wasserstoff und des Bindungspartner ist, desto stärker ist die Wasserstoffbrückenbindung.

    Wasser hat für die Größe des Moleküls eine untypisch hohe Siedetemperatur von $100\,\pu{°C}$. Durch die Wasserstoffbrückenbindungen werden die Moleküle sehr fest zusammengehalten, weshalb der Übergang von flüssig zu gasförmig erst bei höheren Temperaturen stattfinden kann.

    Die Dichte von Wasser ist im festen Zustand geringer als im flüssigen Zustand. Das liegt an der Anordnung: Die Wassermoleküle ordnen sich durch Wasserstoffbrückenbindungen so an, dass in ihrer Mitte ein Leerraum entsteht. Genau diese Sechseck-Anordnung setzt sich auf höherer Ebene fort und sorgt damit zudem für die symmetrische Form der Schneeflocken.

    Auch in unserem Körper spielen Wasserstoffbrückenbindungen eine wichtige Rolle. Zum Beispiel werden die DNA und Proteine im Körper durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert.

  • Benenne die Eigenschaften, die auf Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen sind.

    Tipps

    Festes Wasser (= Eis) hat eine geringere Dichte als flüssiges Wasser. Deshalb schwimmen die Eiswürfel auf dem Wasser.

    Lösung

    Einige typische Eigenschaften von Wasser sind unter anderem auf Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen, zum Beispiel die für die Größe des Moleküls untypisch hohe Siedetemperatur von 100 Grad Celsius. Durch die Wasserstoffbrückenbindungen werden die Moleküle sehr fest zusammengehalten, weshalb der Übergang von flüssig zu gasförmig erst bei höheren Temperaturen stattfinden kann.

    Eigentlich weisen feste Stoffe eine höhere Dichte auf als flüssige. Diese Regel gilt nicht bei Wasser: Die sogenannte Dichteanomalie ist auf die Anordnung der Wassermoleküle im festen Zustand zurückzuführen. Die Wassermoleküle ordnen sich durch Wasserstoffbrückenbindungen so an, dass in ihrer Mitte ein Leerraum entsteht. Dieser ist für die geringere Dichte im festen Zustand verantwortlich. Deshalb schwimmen die Eiswürfel auf dem Wasser und gehen nicht unter. Genau diese Sechseck-Anordnung setzt sich auf höherer Ebene fort und sorgt damit zudem für die schön symmetrische Form der Schneeflocken.

    Auch wenn wir uns weg von Wasser bewegen, spielen Wasserstoffbrückenbindungen eine wichtige Rolle. So zum Beispiel in unserem Körper. Sauerstoff- und Wasserstoffatome kommen schließlich ebenfalls in organischen Molekülen vor. Unter anderem wird die Doppelhelixstruktur der DNA im Körper durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert.

  • Bestimme die Bindungsart der Verbindungen.

    Tipps

    Die Elektronegativitätsdifferenz $(\triangle \text{EN)}$ berechnest du, indem du die kleinere Zahl von der größeren Zahl abziehst.

    Ist die Elektronegativitätsdifferenz $(\triangle \text{EN})$ größer als $1,\!7$, liegt in der Regel eine Ionenbindung vor.

    Lösung

    Wie elektronegativ ein Element ist, kannst du übrigens in der Regel dem Periodensystem der Elemente entnehmen: Je höher der Wert, desto elektronegativer.
    Elektronegativität ist das Maß für die Fähigkeit von Atomen, Bindungselektronen an sich zu ziehen. Das Element Sauerstoff zum Beispiel weist eine hohe Elektronegativität auf. Das heißt, es zieht die Elektronen in der Verbindung sehr stark an sich.
    Anhand der Elektronegativitätsdifferenz ($\triangle \text{EN}$) zweier Elemente kann man (in der Regel) bestimmen, ob es sich um eine Ionen- oder (un)polare Atombindung handelt. Natürlich gibt es auch Ausnahmen.


    Eine Ionenbindung liegt vor, wenn die Elektronegativitätsdifferenz höher als $1,\!7$ ($\triangle \text{EN} > 1,\!7$) ist:

    • Natriumchlorid: $\triangle \text{EN} = 2,\!3$
    • Magnesiumoxid: $\triangle \text{EN} = 2,\!1$

    Eine polare Atombindung liegt vor, wenn die Elektronegativitätsdifferenz zwischen $0,\!5$ und $1,\!7$ ($0,\!5 < \triangle \text{EN} < 1,\!7$) liegt:
    • Wasser: $\triangle \text{EN} = 1,\!2$
    • Salzsäure: $\triangle \text{EN} = 1$

    Eine unpolare Atombindung liegt vor, wenn die Elektronegativitätsdifferenz geringer als $0,\!5$ ($\triangle \text{EN} < 0,\!5$) ist:
    • Methan: $\triangle \text{EN} = 0,\!4$