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Wasserstoffbrückenbindungen

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Chemie

Hast du dich schonmal gefragt, warum Schneeflocken immer in einer sechseckigen Anordnung kristallisieren? Der Grund dafür sind Wasserstoffbrückenbindungen.

Bei Wasserstoffbrückenbindungen kommt es zu einer Anziehung zwischen einem Wasserstoffatom, welches an ein Molekül gebunden ist, und einem freien Elektronenpaar eines anderen Moleküls. Es handelt sich dabei um die stärksten zwischenmolekularen Wechselwirkungen.

Die Wasserstoffbrückenbindung wird auch kurz Wasserstoffbrücke genannt und ist eine chemische Bindung von elektrostatischer Natur. Die Bindungskräfte sind jedoch schwächer als die kovalente Bindung und Ionenbindung. Wie im Namen erwähnt wird, ist die Wasserstoffbrückenbindung eine Brücke zwischen Wasserstoffatomen und Molekülen.

Die Entstehung von Wasserstoffbrückenbindungen

Es gibt zwei Situationen, wie Wasserstoffbrückenbindungen entstehen können:

  • zwischen zwei Molekülen
  • zwischen zwei voneinander getrennten Abschnitten eines größeren Makromoleküls

Hierbei entsteht die Wasserstoffbrückenbindung zwischen Wasserstoffatomen und den entsprechenden "Partneratomen".

Damit solch eine Bindung entstehen kann, muss das Wasserstoff (H) sich kovalent an ein Atom binden, das eine deutlich höhere Elektronegativität hat.

Stark elektronegative Atome sind:

  • Stickstoff (N)
  • Sauerstoff (O)
  • Fluor (F)
  • in manchen Fällen auch Chlor (Cl)

Diese elektronegativen Atome besitzen ein freies, negativ geladenes Elektronenpaar.

Am einfachsten lassen sich Wasserstoffbrückenbindungen an Wassermolekülen erklären. Ein Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen (H2O). Die Wasserstoffbrückenbindung bildet sich zwischen dem Sauerstoffatom des einen Wassermoleküls und zwei Wasserstoffatomen zweier fremder Wassermoleküle.

Aus diesem Grund kann jedes Wassermolekül vier Wasserstoffbrückenbindungen eingehen. Dabei bindet es mit seinen Wasserstoffatomen an zwei andere Sauerstoffatome, und mit seinem eigenen Sauerstoffatom, an zwei fremde Wasserstoffatome.

Wasserstoffbrückenbindung, Wasserstoffbrückenbindung in einem Wassermolekül, StudySmarterAbbildung 1: Wasserstoffbrückenbindungen in einem WassersmolekülQuelle: www.quizlet.com

Da das Sauerstoff stark elektronegativ ist, zieht es die negativen Elektronen des Wasserstoffatoms zu sich. Nun bildet das Sauerstoffatom eine negative Teilladung. Diese wird durch ein δ- dargestellt.

Da dem H-Atom negative Elektronen fehlen, bildet es gleichzeitig eine positive Teilladung aus. Diese wird durch ein δ+ dargestellt. Dadurch kann das H-Atom mit den freien Elektronenpaaren des Sauerstoffatoms in Wechselwirkung treten. Das H-Atom ist jetzt partial positiv und das Sauerstoffatom partial negativ geladen. Diese Wechselwirkung nennt man Wasserstoffbrückenbindung.

Um die Wasserstoffbrückenbindungen zu lösen, ist Energie nötig. Deshalb liegt der Siedepunkt des Wassers bei 100 °C.

Vorkommen von Wasserstoffbrückenbindungen

Wasserstoffbrückenbindungen, abgekürzt WBB oder HBB, spielen eine sehr wichtige Rolle in der Chemie. Im Folgenden haben wir dir in einer Tabelle zusammengefasst, wo überall Wasserstoffbrückenbindungen (HBB) zum Einsatz kommen:

Wo?Was bewirken die HBB?
Wasser
Proteine
  • Stabilisierung der Sekundärstrukturen (Alpha-Helix oder Faltblatt)
  • Stabilisierung der Tertiärstruktur
  • Bindung zur Quartärstruktur
  • Stabilisierung von synthetischen Strukturen
RNA
  • Komplementäre Basenpaarung innerhalb der tRNA-Moleküle
  • Basenpaarung zwischen RNA- und DNA-Molekülen
DNA
  • Komplementäre Basenpaarung innerhalb Doppelhelix
  • Zusammenhalt beider DNA Stränge durch Wasserstoffbrückenbindungen

Anomalie des Wassers

Dadurch, dass beim Wasser die Elektronegativität des Sauerstoffatoms mit 3,44 höher ist, als die des Wasserstoffs (2,2), kommt es zur Ausbildung von Teilladungen. Das Wasserstoffatom wird positiv und das Sauerstoffatom negativ polarisiert. So ziehen sich negativ polarisierte Sauerstoffatome und positiv polarisierte Wasserstoffatome an und bilden Wasserstoffbrückenbindungen.

Wassermoleküle im Wasser können bis zu vier Wasserstoffbrückenbindungen eingehen. Dadurch entsteht ein dreidimensionales Netzwerk. Diese Struktur ist nicht starr, denn es werden ständig Wasserstoffbrückenbindungen aufgebrochen und neue werden gleichzeitig gebildet.

Die Besonderheit von Wasser ist, dass es bei 4°C das kleinste Volumen und die höchste Dichte hat. Bei 4°C nimmt das Volumen sowohl bei steigender als auch bei fallender Temperatur zu. Die Dichte wird also kleiner. Dieses Verhalten von Wasser ist ungewöhnlich und wird deshalb als Wasseranomalie bezeichnet. Keine andere Flüssigkeit hat diese Eigenschaft.

Erst wenn Wasser zu Eis wird, wird die Struktur fest und es bilden sich Kristalle. Durch die Wasserstoffbrückenbindungen wird eine regelmäßige sechseckige Struktur, ein Hexagon, ausgebildet. Diese Struktur hat große Hohlräume, wodurch sich Wasser beim Einfrieren ausdehnt.

Die Frage aus der Einleitung, warum Schneeflocken immer in einer sechseckigen Anordnung kristallisieren, kann somit beantwortet werden. Die Wasserstoffbrückenbindungen bedingen diese strukturelle Form.

Wasserstoffbrückenbindung, Struktur eines Eiskristalls, StudySmarterAbbildung 2: Struktur eines EiskristallsQuelle: www.msa-berlin.de

Eis nimmt mehr Raum ein, da die Wasserstoffbrückenbindungen verhindern, dass sich die Wassermoleküle noch näher kommen. Daher wird die Dichte geringer beim Übergang von dem flüssigen in den festen Zustand. Bei anderen Flüssigkeiten ist dieser Vorgang umgekehrt. In einem festen Stoff liegen üblicherweise die Moleküle sehr nah beieinander. Die Dichte des Stoffes nimmt folglich zu, wenn er erstarrt. Die Anomalie bezeichnet in diesem Fall, dass Wasser "von der Norm abweicht".

Wenn Wasser hingegen verdampfen soll, wird sehr viel Energie benötigt, um die Wasserstoffbrückenbindungen aufzubrechen. Deswegen ist der Siedepunkt relativ hoch bei 100°C. Im Wasser sind überwiegend 2, 4 oder 8 Wassermoleküle miteinander verbunden, die mit viel Energie getrennt werden müssen.

Wasserstoffbrückenbindungen in der DNA

Die DNA besteht aus zwei aneinander gebundene Ketten. Das Rückgrat der beiden Stränge sind Phosphatdesoxyribose Stränge, die über vier verschiedene Basen miteinander verbunden sind. Mithilfe der Wasserstoffbrückenbindungen werden nun zwei gegenüberliegende Basen miteinander verbunden.

Wasserstoffbrückenbindung, Struktur der DNA, StudySmarterAbbildung 3: Struktur der DNA. Quelle: www.biologie-schule.de

Die vier Basen, die in der DNA vorkommen, sind:

  • Adenin (A)
  • Guanin (G)
  • Thymin (T)
  • Cytosin (C)

Jeweils Adenin und Thymin sowie Guanin und Cytosin bilden immer Paare.

Wasserstoffbrückenbindung, Wasserstoffbrückenbindungen in der DNA, StudySmarterAbbildung 4: Wasserstoffbrückenbindungen in der DNAQuelle: www.chem.uzh.ch

Während bei Adenin und Thymin werden 2 Wasserstoffbrückenbindungen ausgebildet werden, sind es bei Cytosin und Guanin 3.

Zur Weitergabe der DNA werden diese Wasserstoffbrückenbindungen aufgebrochen, da so immer ein Strang kopiert wird. Je mehr Wasserstoffbrückenbindungen ausgebildet worden sind, desto mehr Energie wird benötigt, um die Bindung zu trennen.

Aus diesem Grund wird mehr Energie benötigt, um die Wasserstoffbrückenbindungen bei Guanin und Cytosin zu trennen.

Wasserstoffbrückenbindung - Das Wichtigste

  • Eine Brücke zwischen Wasserstoffmolekülen und Atomen, die eine höhere Elektronegativität haben als der Wasserstoff, wird als Wasserstoffbrückenbindung bezeichnet.
    • Zuerst wird das Wasserstoffatom positiv polarisiert und das Molekül mit der höheren Elektronegativität wird negativ polarisiert.
    • Dann wird das H-Atom von dem negativen freien Elektronenpaar des anderen Moleküls angezogen und es entsteht eine Wechselwirkung: die Wasserstoffbrückenbindung.
  • Am Häufigsten kommen Wasserstoffbrückenbindungen im Wasser vor
  • Auch in der DNA, in der RNA und in den Proteinen kommen Wasserstoffbrückenbindungen vor.

Wasserstoffbrückenbindungen

Bei Wasserstoffbrückenbindungen kommt es zu einer Anziehung zwischen einem Wasserstoffatom, welches an ein Molekül gebunden ist, und einem freien Elektronenpaar eines anderen Moleküls. Es handelt sich dabei um die stärksten zwischenmolekularen Wechselwirkungen.  

Wasserstoffbrückenbindungen entstehen wenn es zu einer Anziehung zwischen zwei Molekülen oder zwei weit genug voneinander entfernten Abschnitten eines Makromoleküls kommt. Die Wechselwirkung tritt dabei über ein Wasserstoffatom (H) und ein elektronegativeres Atom auf. 

Zuerst wird das Wasserstoffatom positiv polarisiert und das Molekül mit der höheren Elektronegativität wird negativ polarisiert. Dann wird das H-Atom von dem negativen freien Elektronenpaar des anderen Moleküls angezogen und es entsteht eine Wechselwirkung: die Wasserstoffbrückenbindung.

Zuerst wird das Wasserstoffatom positiv polarisiert und das Molekül mit der höheren Elektronegativität wird negativ polarisiert. Dann wird das H-Atom von dem negativen freien Elektronenpaar des anderen Moleküls angezogen und es entsteht eine Wechselwirkung: die Wasserstoffbrückenbindung.

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