Wasserstoffbrückenbindung einfach erklärt

Eine Wasserstoffbrücke entsteht in zwei Schritten. Zuerst zieht ein stark elektronegatives Atom wie Sauerstoff, Stickstoff oder Fluor die Elektronen einer Bindung zu Wasserstoff besonders stark an. Dadurch trägt das gebundene Wasserstoffatom eine positive Partialladung $\delta^+$, das elektronegative Atom eine negative Partialladung $\delta^-$.

Kommt das positiv polarisierte H-Atom in die Nähe eines freien Elektronenpaars an O, N oder F, ziehen sich beide Bereiche elektrostatisch an. Diese gerichtete Anziehung ist die Wasserstoffbrücke.

In der Schreibweise O–H···O steht der durchgezogene Strich für die kovalente O–H-Bindung. Die Punkte kennzeichnen die Wasserstoffbrücke zum zweiten O-Atom.

Der Donor stellt das positiv polarisierte H-Atom bereit. Typische Donorgruppen sind O–H, N–H und F–H.

Der Akzeptor stellt ein freies Elektronenpaar bereit. Häufig sitzt es an O, N oder F. Ein Teilchen kann Donor, Akzeptor oder beides sein.

Gehe in dieser Reihenfolge vor:

1. Suche nach einer O–H-, N–H- oder F–H-Gruppe. Sie kann als Donor wirken.
2. Suche nach einem freien Elektronenpaar an O, N oder F. Dieser Bereich kann als Akzeptor wirken.
3. Prüfe, ob Donor und Akzeptor räumlich nahe genug kommen können.

Die Bezeichnung „Wasserstoffbrückenbindung“ kann täuschen. Innerhalb eines Wassermoleküls verbinden kovalente O–H-Bindungen die Atome. Die Wasserstoffbrücke wirkt dagegen zwischen einem Donor und einem Akzeptor, ohne ein neues gemeinsames Elektronenpaar zu bilden.

In der schulischen Einordnung sind Wasserstoffbrücken meist stärker als gewöhnliche Dipol-Dipol- und London-Wechselwirkungen, aber deutlich schwächer als kovalente oder ionische Bindungen. Deshalb können viele Wasserstoffbrücken gemeinsam stabilisieren und trotzdem wieder gelöst werden.

Man unterscheidet zwei Fälle:

• intermolekular: Die Wasserstoffbrücke wirkt zwischen verschiedenen Molekülen, etwa zwischen zwei Wassermolekülen.
• intramolekular: Sie wirkt zwischen geeigneten Bereichen desselben großen Moleküls und beeinflusst dessen räumliche Form.

Wasser ist Donor und Akzeptor: Seine H-Atome können gespendet werden, und der Sauerstoff besitzt freie Elektronenpaare.

Ethanol ist ebenfalls beides. Seine OH-Gruppe kann Wasserstoffbrücken zu anderen Ethanolmolekülen und zu Wasser bilden. Das unterstützt die gute Mischbarkeit von Ethanol und Wasser.

Ammoniak besitzt N–H-Bindungen und ein freies Elektronenpaar am Stickstoff. Es kann daher ebenfalls spenden und annehmen.

Ein Keton wie Aceton ist nur Akzeptor. Sein Carbonyl-O besitzt freie Elektronenpaare, aber das Molekül enthält kein geeignetes O–H- oder N–H-Wasserstoffatom.

Methan besitzt nur C–H-Bindungen. Nach dem schulischen Donor-Akzeptor-Test bildet es keine Wasserstoffbrücken.

Zwischen Wassermolekülen bildet sich ein ständig wechselndes Netzwerk aus Wasserstoffbrücken. Um Wasser zu verdampfen, müssen viele dieser Anziehungen überwunden werden. Das kostet zusätzliche Energie und trägt zum für ein so kleines Molekül ungewöhnlich hohen Siedepunkt bei.

Wasserstoffbrücken erhöhen außerdem den Zusammenhalt der Moleküle an der Oberfläche. Dadurch tragen sie zur hohen Oberflächenspannung bei.

Beim Gefrieren entsteht eine gerichtete, offene Eisstruktur. Darin liegen die Wassermoleküle im Mittel weiter auseinander als in flüssigem Wasser. Eis besitzt deshalb eine geringere Dichte und schwimmt.

Viele einzeln lösbare Wasserstoffbrücken können zusammen eine große Struktur stabilisieren. Das ist besonders wichtig, wenn ein Molekül fest genug für seine Aufgabe, aber zugleich veränderbar bleiben muss.

In Proteinen entstehen Wasserstoffbrücken zwischen geeigneten Gruppen der Polypeptidkette. Sie tragen zur Ausbildung von Helices und Faltblättern bei und stabilisieren zusammen mit weiteren Wechselwirkungen die räumliche Proteinstruktur.

In der DNA verbinden Wasserstoffbrücken die komplementären Basen der beiden Stränge. Adenin und Thymin bilden zwei, Guanin und Cytosin drei Wasserstoffbrücken. Die vielen Brücken stabilisieren die Doppelhelix, können aber beim Ablesen oder Kopieren der Erbinformation getrennt werden.