Die Wasserstoffbrückenbindung - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Chemie, Klasse 9-10, G-Niveau

Einleitung

Wasserstoffbrückenbindungen, kurz H-Brücken, sind Anziehungskräfte zwischen Teilchen. Sie entstehen, wenn ein stark positiv teilgeladenes Wasserstoffatom von einem freien Elektronenpaar eines elektronegativen Atoms angezogen wird. Im Schulmodell sind dabei vor allem Fluor, Sauerstoff und Stickstoff wichtig.

H-Brücken erklären viele besondere Eigenschaften von Wasser: seinen vergleichsweise hohen Siedepunkt, die starke Oberflächenspannung, die gute Löslichkeit vieler polarer Stoffe und die Tatsache, dass Eis auf flüssigem Wasser schwimmt. Auch die räumliche Struktur von DNA und Proteinen wird durch Wasserstoffbrücken stabilisiert.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du die Entstehung einer Wasserstoffbrückenbindung erklären, Donator und Akzeptor unterscheiden, geeignete Moleküle erkennen und wichtige Stoffeigenschaften mit H-Brücken begründen.

Grundlagen

Polarität und Partialladungen

Eine Atombindung zwischen zwei verschiedenen Atomen kann polar sein. Das elektronegativere Atom zieht die Bindungselektronen stärker an. Dadurch entstehen Partialladungen:

1. Am elektronegativeren Atom entsteht eine negative Partialladung ${\delta }^{-}$.
2. Am Wasserstoffatom entsteht eine positive Partialladung ${\delta }^{+}$.

Beim Wassermolekül zieht Sauerstoff die Elektronen der O-H-Bindungen stärker an. Weil das Molekül gewinkelt ist, besitzt es einen positiven und einen negativen Bereich. Wasser ist deshalb ein Dipol.

So entsteht eine Wasserstoffbrücke

Die vereinfachte Schreibweise lautet:

$\mathrm{X}\mathrm{-}\mathrm{H}\mathrm{\cdots }\mathrm{Y}$

Dabei ist X meist Stickstoff, Sauerstoff oder Fluor. Die Gruppe X-H ist stark polarisiert. Das Wasserstoffatom trägt ${\delta }^{+}$. Das Atom Y besitzt ein freies Elektronenpaar und zieht das Wasserstoffatom an. Die gepunktete Linie zeigt die Wasserstoffbrücke.

Eine H-Brücke ist keine normale Atombindung. Sie ist deutlich schwächer als eine kovalente Bindung, gehört aber zu den stärkeren zwischenmolekularen Wechselwirkungen, die im Chemieunterricht verglichen werden.

Donator und Akzeptor

Ein Wasserstoffbrückendonator stellt ein positiv teilgeladenes H-Atom bereit. Typische Donatorgruppen sind O-H und N-H.

Ein Wasserstoffbrückenakzeptor stellt ein freies Elektronenpaar bereit. Typische Akzeptoratome sind Sauerstoff, Stickstoff und Fluor.

Wasser kann beides: Die O-H-Bindungen dienen als Donator, die freien Elektronenpaare am Sauerstoff als Akzeptor. Ein Wassermolekül kann dadurch mehrere Nachbarmoleküle verknüpfen.

Geeignete und ungeeignete Moleküle

1. Wasser: Donator und Akzeptor; bildet ein räumliches Netzwerk.
2. Ammoniak: besitzt N-H-Bindungen und ein freies Elektronenpaar.
3. Fluorwasserstoff: bildet besonders starke H-Brücken.
4. Ethanol: die Hydroxygruppe kann H-Brücken bilden.
5. Aceton: das Sauerstoffatom ist Akzeptor, aber Aceton besitzt kein O-H- oder N-H-Wasserstoffatom als Donator.
6. Methan: bildet im üblichen Schulmodell keine Wasserstoffbrücken.

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Wasser als Beispiel

Ein dynamisches Netzwerk

In flüssigem Wasser werden H-Brücken ständig gebildet und wieder gelöst. Die Moleküle bleiben beweglich, sind aber zugleich miteinander verbunden. In Eis entsteht eine offenere, regelmäßigere Struktur. Dadurch benötigt Eis mehr Raum als dieselbe Masse flüssigen Wassers.

Datei:A Molecular Dynamics Simulation of Liquid Water at 298 K.webm

Folgen für Stoffeigenschaften

Hoher Siedepunkt: Zum Trennen der Wassermoleküle muss zusätzliche Energie aufgebracht werden. Deshalb siedet Wasser für seine geringe molare Masse ungewöhnlich hoch.

Oberflächenspannung: Wassermoleküle ziehen sich gegenseitig an. An der Oberfläche wirkt diese Kohäsion wie eine elastische Haut.

Hohe Wärmekapazität und Verdampfungsenthalpie: Wasser kann viel Energie aufnehmen, bevor seine Temperatur stark steigt oder es verdampft.

Dichteanomalie: Eis besitzt eine offenere Struktur und ist weniger dicht als flüssiges Wasser. Deshalb schwimmt Eis.

Löslichkeit: Stoffe mit polaren Gruppen können mit Wasser H-Brücken bilden. Das unterstützt ihre Lösung in Wasser.

Einfaches Experiment zur Oberflächenspannung

Lege eine saubere Büroklammer vorsichtig mit einem kleinen Stück Papier auf eine Wasseroberfläche. Sinkt das Papier, kann die Büroklammer auf der Oberfläche liegen bleiben. Gib danach einen Tropfen Spülmittel an den Rand. Die Oberflächenspannung nimmt ab und die Klammer sinkt häufig.

Deutung: H-Brücken tragen zur Kohäsion des Wassers bei. Spülmittel stört die geordnete Wasseroberfläche und senkt die Oberflächenspannung.

Intermolekulare und intramolekulare H-Brücken

Intermolekulare Wasserstoffbrücken wirken zwischen verschiedenen Molekülen. Sie beeinflussen besonders Siede- und Schmelzpunkte, Viskosität und Löslichkeit.

Intramolekulare Wasserstoffbrücken entstehen innerhalb eines größeren Moleküls. Sie können dessen räumliche Form stabilisieren. Gleichzeitig stehen die beteiligten Gruppen dann weniger für H-Brücken zu anderen Molekülen zur Verfügung.

Bedeutung in Biologie und Alltag

DNA und Proteine

In der DNA verbinden Wasserstoffbrücken jeweils passende Nukleinbasen. Adenin und Thymin bilden zwei, Guanin und Cytosin drei H-Brücken. Die Bindungen stabilisieren die Doppelhelix, können aber bei der Verdopplung der DNA getrennt werden.

Bei Proteinen stabilisieren H-Brücken unter anderem Alpha-Helices und Beta-Faltblätter. So tragen sie zur Form und damit zur Funktion eines Proteins bei.

Pflanzen und Kapillarwirkung

Wasserstoffbrücken unterstützen die Kohäsion zwischen Wassermolekülen. Gemeinsam mit der Adhäsion an Gefäßwänden trägt dies zum Wassertransport in engen Pflanzengefäßen bei.

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Merksatz

Eine Wasserstoffbrücke entsteht, wenn ein positiv teilgeladenes Wasserstoffatom einer stark polaren Bindung von einem freien Elektronenpaar eines elektronegativen Atoms angezogen wird.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist eine Wasserstoffbrückenbindung? (Eine Anziehung zwischen einem positiv teilgeladenen H-Atom und einem freien Elektronenpaar) (!Eine Bindung zwischen zwei Wasserstoffatomen) (!Eine Elektronenübertragung zwischen Metallen) (!Eine Kernkraft zwischen Atomkernen)

Welche Atome sind im Schulmodell besonders häufig an H-Brücken beteiligt? (Fluor Sauerstoff und Stickstoff) (!Natrium Kalium und Calcium) (!Helium Neon und Argon) (!Kupfer Silber und Gold)

Was kennzeichnet einen Wasserstoffbrückendonator? (Er besitzt ein stark polar gebundenes Wasserstoffatom) (!Er besitzt nur unpolare Bindungen) (!Er gibt ein vollständiges Elektron ab) (!Er muss ein Metallion sein)

Warum hat Wasser einen ungewöhnlich hohen Siedepunkt? (Zwischen den Wassermolekülen wirken Wasserstoffbrücken) (!Wasser besteht aus besonders schweren Atomen) (!Wasser enthält freie Protonen) (!Wasser besitzt metallische Bindungen)

Warum schwimmt Eis auf Wasser? (Die offene Eisstruktur hat eine geringere Dichte) (!Eis enthält keinen Sauerstoff) (!Eis ist immer wärmer als Wasser) (!Im Eis verschwinden alle Bindungen)

Welche Rolle kann Wasser bei H-Brücken übernehmen? (Donator und Akzeptor) (!Nur Donator) (!Nur Akzeptor) (!Weder Donator noch Akzeptor)

Was stabilisieren H-Brücken in der DNA? (Die Paarung komplementärer Basen) (!Die Anzahl der Protonen im Atomkern) (!Die metallische Leitfähigkeit) (!Die Bildung von Natriumionen)

Wo wirkt eine intramolekulare Wasserstoffbrücke? (Innerhalb eines Moleküls) (!Nur zwischen zwei Metallen) (!Zwischen Atomkern und Elektronenhülle) (!Ausschließlich in einem Gasgemisch)

Warum kann Aceton mit Wasser H-Brücken bilden? (Sein Sauerstoffatom kann als Akzeptor wirken) (!Sein Kohlenstoffatom ist ein Metall) (!Es enthält eine Ionenbindung) (!Es besitzt nur positive Ladungen)

Was zeigt die gepunktete Linie in einer H-Brücken-Darstellung? (Die zwischenmolekulare Wasserstoffbrücke) (!Eine kovalente Einfachbindung) (!Eine metallische Bindung) (!Eine vollständige Elektronenübertragung)

Memory

Wasserstoffbrückendonator	liefert ein polar gebundenes Wasserstoffatom
Wasserstoffbrückenakzeptor	besitzt ein freies Elektronenpaar
Positive Partialladung	elektronenarmer Molekülbereich
Negative Partialladung	elektronenreicher Molekülbereich
Kohäsion	Anziehung gleichartiger Teilchen
Dichteanomalie	Eis ist weniger dicht als flüssiges Wasser

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Eigenschaft
Wasser	bildet ein ausgedehntes H-Brücken-Netzwerk
Methan	bildet im Schulmodell keine klassischen H-Brücken
Ethanol	ist Donator und Akzeptor
Aceton	ist Akzeptor aber kein Donator
Fluorwasserstoff	bildet besonders starke H-Brücken

...

Kreuzworträtsel

Donator	Wie heißt ein Teilchen das ein polar gebundenes H-Atom bereitstellt?
Akzeptor	Wie heißt ein Teilchen das ein freies Elektronenpaar bereitstellt?
Dipol	Wie heißt ein Molekül mit getrennten Ladungsschwerpunkten?
Kohäsion	Wie heißt die Anziehung zwischen gleichartigen Teilchen?
Elektronegativität	Welche Größe beschreibt die Anziehung von Bindungselektronen?
Protein	Welche Stoffklasse wird durch H-Brücken in ihrer Faltung stabilisiert?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Eine Wasserstoffbrücke ist eine Anziehungskraft. Das beteiligte Wasserstoffatom trägt eine positive . Ein Akzeptor besitzt mindestens ein freies . Bei Wasser ist das Sauerstoffatom stärker als Wasserstoff. Wasser kann als Donator und als wirken. H-Brücken erhöhen häufig den eines Stoffes. Die offene Struktur von Eis führt zu einer geringeren . In der DNA stabilisieren H-Brücken die Paarung der .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Molekülmodell: Baue zwei Wassermoleküle und markiere die mögliche Wasserstoffbrücke mit einer gestrichelten Verbindung.
2. Alltagsbeobachtung: Fotografiere drei Situationen, in denen Eigenschaften des Wassers sichtbar werden, und erkläre eine davon.
3. Begriffsnetz: Verbinde die Begriffe Elektronegativität, Partialladung, Dipol und Wasserstoffbrücke in einem Schaubild.
4. Stoffvergleich: Ordne Wasser, Methan, Ethanol und Aceton danach, ob sie Donator, Akzeptor oder keines von beidem sind.

Standard

1. Experiment: Untersuche die Oberflächenspannung von Wasser vor und nach der Zugabe eines Tropfens Spülmittel und protokolliere Deine Beobachtung.
2. Siedepunkt: Vergleiche die Siedepunkte ausgewählter Wasserstoffverbindungen und erkläre auffällige Abweichungen.
3. Erklärvideo: Produziere ein einminütiges Video zur Schreibweise $\mathrm{X}\mathrm{-}\mathrm{H}\mathrm{\cdots }\mathrm{Y}$.
4. Löslichkeit: Plane einen Versuch, mit dem Du die Löslichkeit von Ethanol und eines unpolaren Stoffes in Wasser vergleichst.

Schwer

1. Intramolekulare Wasserstoffbrücke: Recherchiere ein Molekül mit intramolekularer H-Brücke und erkläre die Wirkung auf seine Form.
2. DNA-Modell: Erstelle ein Modell der Basenpaare A-T und G-C und vergleiche Zahl und Lage der H-Brücken.
3. Proteinstruktur: Analysiere eine Darstellung von Alpha-Helix und Beta-Faltblatt und kennzeichne die stabilisierenden H-Brücken.
4. Transferaufgabe: Entwickle eine begründete Vorhersage dazu, wie sich das Ersetzen einer O-H-Gruppe durch eine C-H-Gruppe auf Siedepunkt und Wasserlöslichkeit auswirken kann.

Lernkontrolle

1. Struktur-Eigenschafts-Beziehung: Erkläre, warum Wasser und Schwefelwasserstoff trotz ähnlicher Molekülform deutlich unterschiedliche Siedepunkte besitzen.
2. Stoffbewertung: Entscheide für Methanol, Dimethylether und Propan, welche Stoffe untereinander H-Brücken bilden können, und begründe.
3. Versuchsauswertung: Werte einen Versuch zur Oberflächenspannung aus und trenne Beobachtung, Deutung und mögliche Fehlerquelle.
4. Modellkritik: Erkläre, was die gepunktete Linie im H-Brücken-Modell gut zeigt und welche Aspekte der realen Wechselwirkung sie vereinfacht.
5. Biochemischer Transfer: Begründe, warum viele einzeln schwache H-Brücken gemeinsam eine stabile, aber veränderbare DNA-Struktur ermöglichen.
6. Alltagstransfer: Erkläre, warum Verdunstung von Wasser kühlt und welche Rolle zwischenmolekulare Kräfte dabei spielen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig:

1. Du erklärst die Entstehung von Partialladungen.
2. Du unterscheidest Wasserstoffbrückendonator und Wasserstoffbrückenakzeptor.
3. Du erkennst geeignete funktionelle Gruppen in Strukturformeln.
4. Du zeichnest H-Brücken korrekt als gepunktete oder gestrichelte Verbindung.
5. Du leitest Siedepunkt, Löslichkeit und Oberflächenspannung aus Teilchenmodellen ab.
6. Du erklärst die Dichteanomalie des Wassers.
7. Du überträgst das Modell auf DNA und Proteine.
8. Du wertest ein einfaches Experiment fachsprachlich aus.

Verknüpfte Lernbereiche

Wasserstoffbrückenbindung Elektronegativität Partialladung Dipol Zwischenmolekulare Kräfte Eigenschaften des Wassers Oberflächenspannung Dichteanomalie des Wassers DNA Proteinstruktur