Wasserstoffbrückenbindungen | Einführung in die Chemie

Lernziel

Beschreiben Sie die Eigenschaften von Wasserstoffbrückenbindungen.

Schlüsselpunkte

Wasserstoffbindungen sind starke zwischenmolekulare Kräfte, die entstehen, wenn sich ein Wasserstoffatom, das an ein elektronegatives Atom gebunden ist, einem benachbarten elektronegativen Atom nähert.
Eine höhere Elektronegativität des Wasserstoffbindungsakzeptors führt zu einer Erhöhung der Wasserstoffbindungsstärke.
Die Wasserstoffbindung ist eine der stärksten zwischenmolekularen Anziehungskräfte, aber schwächer als eine kovalente oder eine ionische Bindung.
Wasserstoffbindungen sind dafür verantwortlich, DNA, Proteine und andere Makromoleküle zusammenzuhalten.

Begriffe

WasserstoffbindungDie Anziehungskraft zwischen einem teilweise positiv geladenen Wasserstoffatom, das an ein stark elektronegatives Atom (wie Stickstoff, Sauerstoff oder Fluor) gebunden ist, und einem anderen, in der Nähe befindlichen elektronegativen Atom.
ElektronegativitätDie Tendenz eines Atoms oder Moleküls, Elektronen an sich zu ziehen, Dipole zu bilden und somit Bindungen zu bilden.
intermolekularEine Art von Wechselwirkung zwischen zwei verschiedenen Molekülen.

Wasserstoffbindung

Eine Wasserstoffbindung ist die elektromagnetische Anziehungskraft, die zwischen einem teilweise positiv geladenen Wasserstoffatom, das an ein stark elektronegatives Atom gebunden ist, und einem anderen, nahe gelegenen elektronegativen Atom entsteht. Eine Wasserstoffbrückenbindung ist eine Art von Dipol-Dipol-Wechselwirkung; sie ist keine echte chemische Bindung. Diese Anziehungskräfte können zwischen Molekülen (intermolekular) oder innerhalb verschiedener Teile eines einzelnen Moleküls (intramolekular) auftreten.

Wasserstoffbindungsdonor

Ein Wasserstoffatom, das an ein relativ elektronegatives Atom gebunden ist, ist ein Wasserstoffbindungsdonor. Dieses elektronegative Atom ist normalerweise Fluor, Sauerstoff oder Stickstoff. Das elektronegative Atom zieht die Elektronenwolke aus der Umgebung des Wasserstoffkerns an und hinterlässt durch die Dezentralisierung der Wolke das Wasserstoffatom mit einer positiven Teilladung. Aufgrund der geringen Größe des Wasserstoffs im Vergleich zu anderen Atomen und Molekülen ist die resultierende Ladung, wenn auch nur teilweise, stärker. Im Molekül Ethanol ist ein Wasserstoffatom an ein Sauerstoffatom gebunden, das sehr elektronegativ ist. Dieses Wasserstoffatom ist ein Wasserstoffbrückenbindungs-Donor.

Wasserstoffbrückenbindungs-Akzeptor

Eine Wasserstoffbrückenbindung entsteht, wenn diese starke positive Teilladung ein einsames Elektronenpaar an einem anderen Atom anzieht, das zum Wasserstoffbrückenbindungs-Akzeptor wird. Ein elektronegatives Atom wie Fluor, Sauerstoff oder Stickstoff ist ein Wasserstoffbrückenbindungsakzeptor, unabhängig davon, ob es an ein Wasserstoffatom gebunden ist oder nicht. Eine höhere Elektronegativität des Wasserstoffbrückenbindungsakzeptors führt zu einer stärkeren Wasserstoffbrückenbindung. Das Diethylethermolekül enthält ein Sauerstoffatom, das nicht an ein Wasserstoffatom gebunden ist, so dass es ein Wasserstoffbrückenbindungsakzeptor ist.

Ein an Kohlenstoff gebundener Wasserstoff kann auch an Wasserstoffbrückenbindungen teilnehmen, wenn das Kohlenstoffatom an elektronegative Atome gebunden ist, wie es in Chloroform (CHCl3) der Fall ist. Wie in einem Molekül, in dem ein Wasserstoff an Stickstoff, Sauerstoff oder Fluor gebunden ist, zieht das elektronegative Atom die Elektronenwolke aus der Umgebung des Wasserstoffkerns an und hinterlässt durch die Dezentralisierung der Wolke das Wasserstoffatom mit einer positiven Teilladung.

Interaktiv: WasserstoffbrückenbindungenUntersuchen Sie Wasserstoffbrückenbindungen, die sich zwischen polaren Molekülen wie Wasser bilden. Wasserstoffbrückenbindungen werden mit gepunkteten Linien dargestellt. Zeigen Sie Teilladungen an und führen Sie das Modell aus. Wo bilden sich Wasserstoffbrücken? Versuchen Sie, die Temperatur des Modells zu ändern. Wie erklärt das Muster der Wasserstoffbrückenbindungen das Gitter, aus dem Eiskristalle bestehen?

Anwendungen für Wasserstoffbrücken

Wasserstoffbrücken kommen in anorganischen Molekülen wie Wasser und organischen Molekülen wie DNA und Proteinen vor. Die beiden komplementären Stränge der DNA werden durch Wasserstoffbrücken zwischen komplementären Nukleotiden (A&T, C&G) zusammengehalten. Wasserstoffbrückenbindungen im Wasser tragen zu seinen einzigartigen Eigenschaften bei, einschließlich seines hohen Siedepunkts (100 °C) und seiner Oberflächenspannung.

Wassertröpfchen auf einem BlattDie zwischen den Wassermolekülen in den Wassertröpfchen gebildeten Wasserstoffbrückenbindungen sind stärker als die anderen intermolekularen Kräfte zwischen den Wassermolekülen und dem Blatt, was zu einer hohen Oberflächenspannung und den unterschiedlichen Wassertröpfchen beiträgt.

In der Biologie sind intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen teilweise für die Sekundär-, Tertiär- und Quartärstrukturen von Proteinen und Nukleinsäuren verantwortlich. Die Wasserstoffbrücken helfen den Proteinen und Nukleinsäuren, bestimmte Formen zu bilden und zu erhalten.