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Wasserstoffbrückenbindungen

Zwischen Wassermolekülen spannen sich winzige Brücken — einzeln schwach, zu Milliarden aber stark genug, dass Wasser bei Zimmertemperatur flüssig bleibt.

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Anziehung zwischen Molekülen

Die O–H-Bindung ist stark polar. Das positiv polarisierte H-Atom eines Moleküls zieht ein freies Elektronenpaar am O-Atom des Nachbarmoleküls an.

  • H-Atom:an F, O oder N gebunden — dort zieht der Partner das Elektronenpaar stark zu sich, das H wird deutlich \(\delta^+\) (\(\Delta\mathrm{EN}(\mathrm{O{-}H}) = 3{,}44-2{,}20 = 1{,}24\)).
  • Nackter Kern:H hat keine inneren Elektronen — sein Kern liegt fast frei und kommt dem Nachbarn sehr nahe.
  • Partner:ein freies Elektronenpaar an F, O oder N eines anderen Moleküls \((\delta^-)\).
  • Schreibweise:Strich für die Atombindung, Punkte für die Brücke: \(\mathrm{O{-}H\cdots O}\).
Zwei Wassermoleküle mit Wasserstoffbrücke
O H H O H H δ+ δ− δ− Wasserstoffbrücke
O–H, H und das freie Elektronenpaar des Nachbar-O-Atoms liegen auf einer Linie.

Ziehe das zweite Wassermolekül am O-Atom (gestrichelter Ring) heran und drehe es am orangen Griff oder mit dem Regler. Finde eine Lage, in der sich eine Wasserstoffbrücke bildet — es gibt mehr als eine.

Zwei Wassermoleküle annähern

Halte fest: Eine Wasserstoffbrücke bildet sich nur, wenn ein H-Atom genau auf ein freies Elektronenpaar des Nachbar-O-Atoms zeigt und der Abstand H···O etwa 180 pm beträgt.

Merke

Wasserstoffbrücke: Anziehung zwischen einem an F, O oder N gebundenen \(\delta^+\)-H-Atom und einem freien Elektronenpaar eines F-, O- oder N-Atoms im Nachbarmolekül.

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Schwach, aber zahlreich

Eine einzelne Wasserstoffbrücke ist leicht zu lösen. Im Wasser knüpft aber jedes Molekül gleich mehrere davon — es entsteht ein Netz.

  • Stärke:Brücke ≈ 20 kJ/mol, O–H-Atombindung ≈ 460 kJ/mol — gut zwanzigmal schwächer.
  • Länge:O–H-Bindung 96 pm, Brücke H···O ≈ 180 pm — fast doppelt so lang.
  • Richtung:am stärksten, wenn \(\mathrm{O{-}H\cdots O}\) auf einer Geraden liegen.
  • Netz:zwei H-Atome und zwei freie Elektronenpaare je \(\mathrm{H_2O}\) — bis zu vier Brücken pro Molekül.
  • Zwischen, nicht in:Brücken verbinden Moleküle; die Moleküle selbst bleiben unverändert.
Ein Wassermolekül und seine vier Nachbarn
O H H O H H O H H O H H O H H
Zwei Brücken gehen von den eigenen H-Atomen aus, zwei enden an den eigenen freien Elektronenpaaren.
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Allgemeine Hinweise

Keine Bindung im Molekül

Beim Sieden werden Wasserstoffbrücken gelöst, nicht die O–H-Bindungen. Wasserdampf besteht weiter aus \(\mathrm{H_2O}\)-Molekülen.

Nicht jedes H-Atom zählt

In \(\mathrm{CH_4}\) sitzt H an C (\(\Delta\mathrm{EN} = 0{,}35\)) — kaum polar, und C hat kein freies Elektronenpaar. Methan bildet keine Wasserstoffbrücken.

Drei Atome auf einer Linie

Zeichne das H immer zwischen die beiden elektronegativen Atome und die Punkte genau auf das freie Elektronenpaar zu: \(\mathrm{O{-}H\cdots O}\).

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