Die Wasserstoffbrückenbindung

In einem einführenden Kapitel wurde die grundsätzliche Unterscheidung bei den Bindungstypen vorgestellt. Dabei wurde zwischen Primärbindungen (Bindungen, die Atome/Ionen miteinander zu einem Stoff verbinden, Atombindung, Metallbindung und Ionenbindung) und Sekundärbindungen (Wechselwirkungen, die zwischen Stoffen auftreten und so einen Stoffverband aufbauen). Da in den allermeisten Fällen diese Sekundärbindungen zwischen einzelnen Molekülen auftreten, werden diese auch als Intermolekulare Wechselwirkungen bezeichnet. Gebe es Sekundärbindungen nicht, würde z.B. Wasser bei normalen Bedingungen nicht als Flüssigkeit existieren, da keine Wechselwirkung zwischen den einzelnen Wasser-Molekülen auftreten würde, so das einzelne Wassermoleküle “umherschwirren” würden. Im folgenden Kapitel soll nun die Wasserstoffbrückenbindung betrachtet werden.

Die Wasserstoffbrückenbindung als besondere Sekundärbindung

Wie eingangs erwähnt gehören Wasserstoffbrückenbindungen zu den sog. Sekundärkräften, die einzelne Moleküle zu Verbänden zusammenhalten. Da  Wasserstoffbrückenbindungen (nur) zwischen Molekülen wirken, spricht man in diesem Fall nicht von Sekundärbindungen/wechselwirkungen, sondern von intermolekularen Kräften/Wechselwirkungen.Wasserstoffbrückenbindungen sind eine ganz besondere intermolekulare Wechselwirkung. Grundsätzlich beruhen die Wasserstoffbrückenbindung auf einer Dipol-Dipol-Wechselwirkung, wie beispielsweise zwischen zwei Wassermolekülen (beides sind Dipole). Wasserstoffbrückenbindungen sind aber besonders starke Dipol-Dipol-Wechselwirkung, daher kommt dieser Wechselwirkung einer Sonderstellung zu.

Bei der Wasserstoffbrückenbindung dient ein H-Atom als (Ver)bindung zwischen zwei stark elektronegativen Atomen, wobei das H-Atom mit einem Atom durch eine (stark) polare kovalente Bindung und an dem anderen Atom durch elektrostatische Wechselwirkungen “gebunden” ist. Nur wenn diese beiden beteiligten Atome Stickstoff-, Sauerstoff- oder Fluoratome, so spricht man (in der Schule) von einer Wasserstoffbrückenbindung. Die Wasserstoffbrückenbindung zwischen zwei Molekülen wird gestrichelt gezeichnet (siehe nachfolgende Skizze):

Dies liegt daran, dass Moleküle in denen ein Wasserstoffatom mit einem Sauerstoff-, Stickstoff- oder Fluoratom (Elemente mit hoher Elektronegativität) verbunden ist, besonders starke Dipole ausbilden und deshalb per se eine starke Dipol-Dipol-Wechselwirkung ausüben. Darüber hinaus erhält das Wasserstoffatom (durch die polare Bindung mit dem elektronegativen Atom) eine starke positive Teilladung, während das Akzeptoratom eine entsprechende starke negative Teilladung trägt. Zusätzlich wird das relativ kleine Wasserstoffatom besonders stark angezogen, da die positive Ladung im Atomkern nur schwach abgeschirmt wird (keine mit Elektronen gefüllte Schale umgibt den Atomkern, die durch die negativ geladenen Elektronen die positive Ladung nach außen abschirmt/schwächt) und entsprechend stark die Wechselwirkungen mit den anderen Atomen ist..

Wasserstoffbrücken sind im Vergleich zu Primärbindungen schwach. Mit einer “Bindungsstärke” von 10-20 kJ/mol liegen sie deutlich unter der Bindungsenergie von kovalenten Bindungen im Bereich von 200 bis 400 kJ/mol. Jedoch ist die Wasserstoffbrückenbindung die stärkste Dipol-Dipol-Wechselwirkung (und ist z.B.im Wassermolekül sehr stark ausgeprägt: 20 kJ/mol). Dennoch kann man aber durchaus von einer (Wasserstoffbrücken-)bindung sprechen. Die Bindungslänge von Wasserstoffbrückenbindungen in Wasser ist ca. 180 pm, während eine kovalente C-H-Bindung in organischen Kohlenwasserstoffen 154 pm ist.

Bedeutung für Natur und Technik

Wasserstoffbrückenbindungen besitzen eine wesentliche Bedeutung für Natur und Technik. So sind beispielsweise die Wasserstoffbrückenbindung zwischen den einzelnen Wassermolekülen verantwortlich für Erscheinungen wie die Anomalie des Wassers, oder das Schwimmen von Eisbergen auf Wasser. Darüber hinaus sind Wasserstoffbrückenbindungen verantwortlich für die Struktur von Eiweißen und haben so erheblichen Einfluss auf das menschliche Leben.

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