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 δ+, das elektronegative Atom eine negative Partialladung δ−.

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, also eine Atombindung mit einem gemeinsamen Elektronenpaar. Die Punkte kennzeichnen die Wasserstoffbrücke zum zweiten O-Atom.

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-Kräfte zwischen dauerhaft polaren Molekülen und London-Kräfte durch kurzzeitig ungleich verteilte Elektronen, aber deutlich schwächer als Atombindungen oder Ionenbindungen. Deshalb können viele Wasserstoffbrücken gemeinsam stabilisieren und trotzdem wieder gelöst werden.

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 beim Prüfen in drei Schritten vor. Suche zuerst nach einer O–H-, N–H- oder F–H-Gruppe, denn sie kann als Donor wirken. Suche dann nach einem freien Elektronenpaar an O, N oder F, denn dieser Bereich kann als Akzeptor wirken. Prüfe zuletzt, ob Donor und Akzeptor räumlich nahe genug zusammenkommen können.

Eine polare Bindung allein genügt nicht. Aceton, ein Lösungsmittel etwa in manchem Nagellackentferner, besitzt eine polare C=O-Gruppe (Carbonylgruppe): ein O-Atom, das mit einer Doppelbindung an ein C-Atom gebunden ist und freie Elektronenpaare trägt. Ein O–H- oder N–H-Wasserstoffatom hat Aceton aber nicht. Es kann daher Wasserstoffbrücken annehmen, unter Acetonmolekülen jedoch keine spenden.

Wasser ist Donor und Akzeptor: Seine H-Atome können gespendet werden, und der Sauerstoff besitzt freie Elektronenpaare. Auch Ethanol mit seiner O–H-Gruppe ist beides: Es 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 also ebenfalls spenden und annehmen. 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.

Man unterscheidet zwei Fälle. Intermolekulare Wasserstoffbrücken wirken zwischen verschiedenen Molekülen, etwa zwischen zwei Wassermolekülen. Intramolekulare Wasserstoffbrücken wirken zwischen geeigneten Bereichen desselben großen Moleküls und beeinflussen dessen räumliche Form.

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 Aminosäurekette. Sie tragen dazu bei, dass sich Abschnitte der Kette zu Schrauben (Helices) winden oder zu flachen Faltblättern legen, und stabilisieren zusammen mit weiteren Wechselwirkungen die räumliche Proteinstruktur.

In der DNA verbinden Wasserstoffbrücken die zueinander passenden (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.