Hast Du Dich schon mal 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.
Wasserstoffbrückenbindung – Entstehung
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 Wasserstoffatom (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.
Abbildung 1: Wasserstoffbrückenbindungen in einem WassersmolekülQuelle: www.quizlet.com
Da Sauerstoff stark elektronegativ ist, zieht es die negativen Elektronen des Wasserstoffatoms zu sich. An dem Sauerstoffatom bildet sich eine negative Teilladung. Diese wird durch ein δ- dargestellt.
Da dem H-Atom negative Elektronen fehlen, bildet sich hier 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 partiell positiv und das Sauerstoffatom partiell 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 wichtige Rolle in der Chemie. Im Folgenden findest Du einen Überblick, wo überall Wasserstoffbrückenbindungen (HBB) vorkommen:
| Wo? | Was bewirken die HBB? |
| Wasser | - Möglichkeiten der Aggregatzustände: flüssiger und fester Zustand
- Kohäsion
- Hoher Siedepunkt
- Dichteanomalie des Wassers
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| 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
Wie Du bereits gelesen hast, sind die Wasserstoffbrücken zwischen den Wassermolekülen für viele Eigenschaften des Wassers verantwortlich. Dazu zählt auch die sogenannte Dichteanomalie des Wassers.
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. 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 Struktur.
Abbildung 2: Struktur eines EiskristallsQuelle: www.msa-berlin.de
Eis nimmt mehr Raum ein, da die Wasserstoffbrückenbindungen verhindern, dass sich die Wassermoleküle näher kommen. Daher nimmt die Dichte beim Übergang von dem flüssigen in den festen Zustand ab. 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 des Wassers mit 100 °C verhältnismäßig hoch. 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 Phosphat-Desoxyribose-Ketten, die über vier verschiedene Basen miteinander verbunden sind. Mithilfe der Wasserstoffbrückenbindungen werden nun zwei gegenüberliegende Basen miteinander verbunden.
Abbildung 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.
Abbildung 4: Wasserstoffbrückenbindungen in der DNAQuelle: www.chem.uzh.ch
Während bei Adenin und Thymin zwei Wasserstoffbrückenbindungen ausgebildet werden, sind es bei Cytosin und Guanin drei.
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.
Daher wird mehr Energie benötigt, um die Wasserstoffbrückenbindungen bei Guanin und Cytosin zu trennen.
Wasserstoffbrückenbindungen - 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.
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