Chemische Grundlagen
Zwischenmolekulare Wechselwirkungen
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Die Wasserstoffbrückenbindung gehört zu den zwischenmolekularen Wechselwirkungen. Was eine Wasserstoffbrückenbindung ist und wo du sie findest, erklären wir dir hier oder im Video .

Wasserstoffbrückenbindung einfach erklärt

Eine Wasserstoffbrückenbindung ist eine anziehende Wechselwirkung. Sie entsteht zwischen einem gebundenen Wasserstoffatom eines Moleküls und einem stark elektronegativem Atom eines zweiten Moleküls. Das elektronegative Atom ist häufig Stickstoff (N), Sauerstoff (O) oder Fluor (F) und trägt mindestens ein freies Elektronenpaar.

Wasserstoffbrückenbindungen sind keine echten chemischen Bindungen, weil sie beispielsweise weniger stark als Atombindungen oder ionische Bindungen sind.

Wasserstoffbrückenbindung Definition

Wasserstoffbrückenbindungen sind die stärksten zwischenmolekularen Wechselwirkungen, bei denen eine Anziehung zwischen einem gebundenen Wasserstoffatom und einem freien Elektronenpaar vorliegt.

Wasserstoffbrückenbindungen haben eine bedeutende Rolle. Einerseits sind sie für die verschiedenen Stoffeigenschaften von Wasser und organischen Molekülen verantwortlich. Andererseits sind sie für die Stabilität unserer Erbsubstanz, der DNA, verantwortlich.

Wie entstehen Wasserstoffbrückenbindungen?

Eine Wasserstoffbrückenbindung entsteht, wenn zwei stark elektronegative Atome über ein Wasserstoffatom in Verbindung stehen. Die Wechselwirkung kann zwischen zwei Molekülen (intermolekular) oder zwischen Abschnitten eines größeren Makromoleküls (intramolekular) entstehen.

Zwischen den stark elektronegativen Atomen (N, O etc) und den Wasserstoffatomen liegt eine hohe Elektronegativitätsdifferenz vor, da das Fluor-, das Sauerstoff- und das Stickstoffatom bindende Elektronenpaare besonders stark anziehen. Dadurch ist die Bindung stark polarisiert. An den kovalent gebundenen Wasserstoffatomen herrscht ein Elektronenmangel, weil sie partiell positiv (\delta ^+) geladen sind. Daraufhin treten sie mit den freien Elektronenpaaren von anderen elektronegativen Atomen in Wechselwirkung. Es bildet sich eine Wasserstoffbrücke.

Wasserstoffbrückenbindung
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Wasserstoffbrückenbindung

Je größer der Unterschied der Teilladungen des Wasserstoffs und des Bindungspartners, desto größer ist die Stärke der Wasserstoffbrückenbindung. Daher kannst du die Bindungen nach ihrer Stärke klassifizieren.

Stärke der Bindung Energie Beispiel
starke Bindung 63-167 kJ/mol Fluorwasserstoff (HF)
mittlere Bindung 17-63 kJ/mol Kohlenhydrate, Wasser
schwache Bindung <17 kJ/mol Proteine

Wasserstoffbrückenbindung Wasser

Wasserstoffbrückenbindungen kommen in den verschiedensten Molekülen vor. Das wohl bekannteste Beispiel ist das Wassermolekül. Da der Sauerstoff mit 3,4 eine wesentlich höhere Elektronegativität besitzt als der Wasserstoff mit 2,2, entsteht eine positive Partialladung an den Wasserstoffatomen.

Wasserstoffbrückenbindung im Eis

Die Wasserstoffbrücken sind für einigen wichtige Eigenschaften des Wassers verantwortlich. Zum einen wird der Aggregatzustand vor allem durch die Anordnung der Wasserstoffbrücken innerhalb der Moleküle bestimmt. Wenn das Wasser als Eis vorkommt, ist jedes Sauerstoff-Atom von zwei kovalent gebundenen und zwei durch Wasserstoffbrücken koordinierten Wasserstoffatomen umgeben.

Währenddessen ist jedes Wasserstoff-Atom von zwei Sauerstoff-Atomen umgeben, eines in geringerer und eines in größerer Entfernung. Durch die Anordnung besitzt das Wasser in festem Aggregatzustand eine geringere Dichte als in flüssigem Aggregatzustand. Der Umstand trägt neben anderen Eigenschaften zu der sogenannten „Dichteanomalie von Wasser “ bei.

Wasserstoffbrücken Eis Wasserstoffbrückenbindungen
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Wasserstoffbrücken Eis

Die Wasserstoffbrückenbindungen im Wasser sorgen unter anderem für den verhältnismäßig hohen Siedepunkt (100 °C). Durch die Wasserstoffbrücken werden die Moleküle wesentlich enger als gewöhnlich zusammengehalten und können somit weniger leicht von der flüssigen in die gasförmige Phase übergehen.

Mehr über die verschiedenen Phasen von Wasser findest du in unserem Artikel „Phasendiagramm Wasser „.

Kohäsion Wasser

Doch nicht nur der Siedepunkt wird von den Wasserstoffbrücken bestimmt, sondern auch die sogenannte Kohäsion. Dir ist bestimmt schon einmal aufgefallen, dass Wasser eine kuppelartige Form über den Rand des Glases bildet, bevor es überlauft. Das funktioniert, indem die Wassermoleküle an der Wasser-Luft-Grenzfläche Wasserstoffbrückenbindungen zu ihren Nachbarn ausbilden.

Sie sind jedoch nur an der unteren Seite mit anderen Wassermolekülen verbunden sind und an der Oberseite mit Luftmolekülen. Dadurch haben sie weniger Nachbarn, an die sie binden können. Deshalb bilden sie umso stärkere Bindungen zu den Nachbarmolekülen aus.

Kohäsion des Wassers Wasserstoffbrückenbindung
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Kohäsion des Wassers

Wasserstoffbrückenbindungen DNA

Wasserstoffbrücken spielen insbesondere in unserem Körper und für alle anderen Lebewesen eine wichtige Rolle. Sie können sich beispielsweise in Sekundär- oder Tertiärstrukturen von Eiweißen ausbilden.

Die Bindung spielt aber bei einem weiteren wichtigen Biomolekül in unserem Körper eine Rolle – der DNA. Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist eine Nukleinsäure, die für das Tragen und Weitergeben der Erbinformation in Lebewesen verantwortlich ist. Sie besteht aus vier verschiedenen Basen, die gleichzeitig die „Bauteile“ für die DNA bilden. Diese Basen sind: Adenin (A), Guanin (G), Thymin (T) und Cytosin (C).

Grundsätzlich kommt DNA in Form einer schraubenförmigen Doppelhelix vor, indem sich immer zwei bestimmte gegenüberliegende Basen binden. Diese Paare sind einerseits Adenin und Thymin und andererseits Guanin und Cytosin. Zwischen Adenin und Thymin bilden sich immer genau zwei Wasserstoffbrücken aus, während sich zwischen Guanin und Cytosin drei Wasserstoffbrücken bilden. Um die DNA weiterzugeben, werden die Wasserstoffbrückenbindungen aufgebrochen, um eine exakte Kopie dieses DNA-Strangs zu erstellen.

Wasserstoffbrücken DNA Wasserstoffbrückenbindungen
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Wasserstoffbrücken DNA

Wassermolekül

Du kennst dich nun mit den Wasserstoffbrückenbindungen gut aus und hast am Beispiel des Wassermoleküls die Auswirkungen auf die Eigenschaften gelernt. Wenn du mehr über das Wassermolekül wissen willst, schau dir unbedingt unseren Beitrag dazu an!%Thumbnail Wassermolekül

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