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Wasserstoffbrückenbindung 05:20 min
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Transkript Wasserstoffbrückenbindung
Guten Tag und herzlich Willkommen! Dieses Video heißt Wasserstoffbrückenbindung. Nehmen wir einmal zwei wohlbekannte chemische Verbindungen, einmal Wasser zur rechten und Alkohol (Ethanol) zur linken. Beide Verbindungen sind flüssig, Luft hingegen ist gasförmig. Das ist selbstverständlich oder vielleicht nicht? Vergleichen wir einmal die Molmassen in g/M. Ethanol liefert einen Wert von 46, für Luft erhält man 29 und Wasser hat eine Molmasse von 18. Davon ausgehend müsste Luft flüssig sein und Wasser gasförmig. Was steckt nun dahinter? Betrachten wir einmal Wasser und davon ein Molekül. Das Wassermolekül ist leicht gewinkelt. Ein Sauerstoffatom ist mit 2 Wasserstoffatomen verbunden. Schauen wir uns nun einmal die Elektronegativitäten der beiden beteiligten Elemente an. Für Sauerstoff beträgt sie 3,5 und für Wasserstoff 2,1. Die Elektronegativitätsdifferenz ∆EN=1,4, das bedeutet, dass die Bindungselektronen stärker vom Sauerstoffatom angezogen werden. Man erhält Partialladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen: ∆- am Sauerstoffatom und ∆+ am Wasserstoffatom. Wasser besteht aus vielen Teilchen. Nehmen wir nun noch ein zweites Wassermolekül. Auch dort treffen wir die schon genannten Partialladungen an. Durch die unterschiedlichen Ladungen am Sauerstoffatom und am Wasserstoffatom des benachbarten Wassermoleküls kommt es zu einer Coulomb'schen Anziehung. Diese Anziehung bildet eine Bindung heraus, die man als Wasserstoffbrückenbindung bezeichnet. Die Wasserstoffbrückenbindung führt zu einer Molekülvergrößerung. Die Molekülvergrößerung ihrerseits hat eine Siedepunktserhöhung des Stoffes zur Folge. Betrachten wir nun das chemische Element Stickstoff als Hauptbestandteil der Luft. Stickstoff besteht aus Stickstoffmolekülen N2. Stickstoff hat eine Elektronegativität von 3,0. Die trage ich nun über beide Stickstoffatome ab. Die Elektronegativitätsdifferenz ∆EN ergibt sich dann zu 0. Die Partialladungen an beiden Stickstoffatomen sind demzufolge jeweils 0. Im Gegensatz zum Wasser kommt es hier zu keiner Molekülvergrößerung und es kommt auch zu keiner Siedepunktserhöhung. Demzufolge ist es nur richtig und logisch, dass Wasser flüssig und Stickstoff, die Luft, gasförmig ist. Wasser hat eine sehr komplizierte Struktur. Den Bau des Wassers kann man sich vereinfacht vorstellen als bestehend aus 2 miteinander verbundenen Molekülen, in Wirklichkeit aber sind viele, viele Moleküle miteinander verbunden - und zum größten Teil durch Wasserstoffbrückenbindungen. Die Wasserstoffbrückenbindung hat direkte Auswirkung auf die Siedetemperaturen verschiedener Verbindungen. Betrachten wir zum Beispiel die Siedetemperaturen der Hydride H2X. X ist ein Element der VI. Hauptgruppe. Ich habe in der Grafik einmal die Siedetemperaturen gegen die Molmassen abgetragen. Man sieht hier, dass Wasser offensichtlich aus der Reihe tanzt - es siedet viel höher, als es sollte. Erst ab dem 2., zum 3. und schließlich 4. Vertreter, kommt es zu einer leichten Siedepunktserhöhung, offensichtlich infolge der Zunahme der Molmasse. Diese gewaltige Erhöhung der Siedetemperatur kann man durch die Herausbildung der Wasserstoffbrückenbindungen erklären. Ich möchte nun noch die einzelnen Formeln der Verbindungen eintragen: Wasser - H2O, dann Schwefelwasserstoff - H2S, gefolgt von Selenwasserstoff - H2Se und schließlich Tellurwasserstoff - H2Te. Ein ähnliches Bild erhalten wir, wenn wir die Siedetemperaturen der Alkane mit den Siedetemperaturen der Alkanole vergleicht. Ich habe die ersten 7 Vertreter der Alkane mit rot in die Grafik eingezeichnet. Die ersten 7 Vertreter der Alkanole habe ich blau markiert. Man sieht sehr schön, dass die Siedetemperaturen der Alkanole prinzipiell über den Siedetemperaturen der Alkane liegen. Das ist ein Ergebnis der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen. Die Differenz ∆T ist bei den ersten Vertretern besonders hoch und mit zunehmender Kettenlänge wird sie immer kleiner. Die Wasserstoffbrückenbindung hat sehr viele Auswirkungen auch auf unser Leben, die Lebensprozesse und Lebensvorgänge. Dank ihrer Wirkung können sich Proteine strukturieren. Die Wasserstoffbrückenbindung macht eine Existenz der Doppelhelix in der DNA überhaupt erst möglich. Und schließlich ist die Wasserstoffbrückenbindung ein essentieller Faktor bei der Wirkungsweise von Wirkstoffen und Arzneimitteln. Ich danke für eure Aufmerksamkeit, alles Gute - auf Wiedersehen!
14 Kommentare
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Okay vielen Dank!
Das hat mir sehr geholfen :)))
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Hallo Sarah,
Die Elektronegativität ist das Maß für die Anziehung von Bindungselektronen. Bei Sauerstoff ist sie recht groß (3,5). Nur Fluor hat einen noch größeren Wert (4,0). Die große Elektronegativität von Sauerstoff ist erklärbar durch die hohe Kernladungszahl (+8, 8 Protonen) und die relative Kernnähe der Außenschale (L - Schale, 2. Schale). Daraus ergibt sich eine kräftige Anziehung der Außenelektronen (Valenzelektronen). In diesem Bereich bewegen sich auch die Bindungselektronen. Wasserstoff hat eine EN von 2,1. Das kann man ebenfalls wie beim Sauerstoff qualitativ begründen.
Wenn das eine Teilchen (O) die Elektronen stärker anzieht als das andere (H), dann findet man dort eine negative Ladung und an der anderen Stelle eine positive Ladung. Der Rest ist triviale elektrostatische Anziehung (Coulomb - Kräfte).
Anmerkung: Die Wasserstoffbrückenbindung kommt nicht nur durch Coulomb - Anziehung zustande. Aber zu einem erheblichen Teil und die Erklärung durch das beschriebene Modell ist schlüssig.
Alles Gute+
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Das Video ist super!
Aber ich habe mal eine Frage: Warum werden die Bindungselektronen stärker vom Sauerstoff angezogen?
Was hat das mit der Elektronegativität zu tun? Bedeutet das, dass der Stoff mit der höheren Elektronegativität stärker anziehend auf die Bindungselektronen wirkt, als der andere Stoff?
(Ganz zu Anfang des Videos)
Danke :)
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Vielen Dank für das Video. Sehr hilfreich und gut erklärt! :)
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Ihre Videos sind der Hammer
Wasserstoffbrückenbindung Übung
Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wasserstoffbrückenbindung kannst du es wiederholen und üben.
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Beschreibe die physikalische Wechselwirkung der Wasserstoffbrückenbindung.
Tipps
Wie lautet die Summenformel von Wasser?
Sauerstoff hat eine Elektronegativität von 3,5 und Wasserstoff eine von 2,1. Was hat diese Differenz für Auswirkungen?
Lösung
Damit Wasserstoffbrückenbindungen aufgebaut werden können, müssen Dipole vorhanden sein. Dipole sind Moleküle, die einen negativen und einen positiven Pol besitzen. Wie du nun weißt, ist Wasser $(H_2O)$ so ein Dipol.
Es gibt aber noch weitere. Ammoniak $(NH_3)$ und Fluorwasserstoff $(HF)$ sind ebenfalls Dipole.
Stickstoff besitzt eine Elektronegativität (EN) von 3,0 und Fluor hat einen EN-Wert von 4,0 (höchste EN). Sie ziehen, genauso wie Sauerstoff, die Bindungselektronen stärker an. Dadurch erhalten sie eine negative Partialladung und können mit dem positivierten Wasserstoff eine Wasserstoffbrückenbindung ausbilden.
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Bestimme die Auswirkungen der Wasserstoffbrückenbindung.
Tipps
Welche Auswirkungen können zusätzliche Kräfte innerhalb einer Verbindung haben?
In einem flüssigen Stoff herrscht mehr Wechselwirkung zwischen den Teilchen als in einem gasförmigen.
Lösung
Wasserstoffbrückenbindungen zählen zu den physikalischen Wechselwirkungen zwischen Molekülen. Durch die Anziehung zwischen Wasserstoffatomen und den stark elektronegativen Atomen anderer Moleküle kommt es insgesamt zu einer Molekülvergrößerung. Dies hat eine Erhöhung der Schmelz- und Siedetemperatur zur Folge.
Diese stoffspezifischen Temperaturen werden von der Größe der Moleküle und ihren funktionellen Gruppen stark beeinflusst. Das folgende Beispiel macht dies deutlich:
Hexan-3-ol besteht aus einer Kette mit sechs Kohlenstoffatomen und einer Hydroxygruppe. Nur an dieser polaren Hydroxygruppe kann eine Wasserstoffbrückenbindung entstehen. Diese Verbindung besitzt eine Siedetemperatur von 135°C.
Im Vergleich dazu hat 1,6-Hexandiol ebenfalls eine Kette mit sechs Kohlenstoffatomen, aber zwei Hydroxygruppen. Dies hat eine drastische Erhöhung des Siedepunkts zur Folge, da mehr Wasserstoffbrückenbindungen bestehen. Der Siedepunkt liegt bei 253-260°C.
Der Siedepunkt von Oktanol liegt bei 195°C und somit zwischen dem von Hexan-3-ol und 1,6-Hexandiol. Grund dafür ist, dass es mit acht Kohlenstoffatomen eine größere Kettenlänge als Hexanol aufweist und nur eine OH-Gruppe hat, also eine weniger als Hexandiol.
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Entscheide, welche Verbindungen Wasserstoffbrückenbindungen bilden und welche nicht.
Tipps
Welche funktionelle Gruppe besitzen die Moleküle?
Welche Elektronegativitätsdifferenzen gibt es im Molekül?
Lösung
Wie du siehst, bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen nur aus, wenn das Molekül polare Gruppen besitzt. Ein Wasserstoffatom muss dabei an ein stark elektronegatives Atom, wie zum Beispiel $O$, $N$ oder $F$, gebunden sein.
Durch die hohe Eleoktronegativitätsdifferenz $Δ~EN$ kommt es zu einer Verschiebung der Bindungselektronen zum elektronegativeren Partner hin. Es entstehen Partialladungen. Dies sind keine vollständigen Ladungen, sondern eine Verlagerung der Ladungen innerhalb des Moleküls.
Ein Wasserstoffatom mit dem positiven Ladungsschwerpunkt wird nun, durch coulombsche Anziehungskräfte, vom negativen Ladungsschwerpunkt eines anderen Moleküls angezogen. Eine Wasserstoffbrückenbindung ist entstanden.
$CO_2$, $C_2H_6$ und $H_3C-O-CH_3$ bilden keine Wasserstoffbrückenbindungen aus, da die $Δ~EN$ zwischen den Atomen innerhalb der einzelnen Moleküle zu gering ist.
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Ermittle die Siedetemperaturen der folgenden Verbindungen.
Tipps
Sowohl die Länge der Kohlenstoffkette, wie auch die Bildung von Wassertoffbrückenbindungen erhöhen die Siedetemperatur deutlich.
$C_3H_8O_3$ ist Glycerin. Es ist ein 3-wertiger Alkohol.
Lösung
Allgemein kann man festhalten, dass Wasserstoffbrückenbindungen die Siedetemperatur erhöhen.
Vergleicht man die Alkane (Kohlenwasserstoffe) mit ihren entsprechenden Alkoholen, so stellt man fest, dass die Alkohole immer eine höhere Siedetemperatur aufweisen.
- Ethan $(C_2H_6)$ Siedepunkt: -89°C
- Ethanol $(C_2H_5OH)$ Siedepunkt: 78°C
Auch die Länge der Kohlenstoffkette spielt für die Siedetemperatur eine wichtige Rolle. Sie nimmt mit steigender Länge zu. Das liegt daran, dass mehr Energie aufgewendet werden muss, um größere Moleküle aus der flüssigen Phase herauszulösen.
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Benenne die Bereiche, in denen Wasserstoffbrückenbindungen eine große Rolle spielen.
Tipps
Benzin besteht aus verschiedenen unpolaren Kohlenwasserstoffen.
Proteine bilden sehr große räumliche Strukturen. Wie bilden sich diese und was hält sie zusammen?
Lösung
- Die einzelnen Bausteine der DNA (Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin) werden durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten und geben so der DNA die bekannte Doppelhelixform.
- Proteine haben unterschiedliche Strukturelemente: Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur. Die Wasserstoffbrückenbindungen stabilisieren in der Sekundärstruktur zum Beispiel die Strukturelemente der α-Helix und des β-Faltblatts. Auch die Tertiär- und Quartärstruktur können sich erst durch die Wasserstoffbrückenbindungen bilden.
- Viele Wirkstoffe von Medikamenten können sich besser an die Biomoleküle (zum Beispiel Enzyme) in unserem Körper anlagern, wenn sie Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden können. Dadurch gelangen die Wirkstoffe dorthin, wo sie benötigt werden.
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Bestimme die Aggregatzustände der folgenden Verbindungen bei Raumtemperatur.
Tipps
Kennst du einige der Stoffe aus deinem Alltag? Welchen Aggregatszustand haben sie?
Welche Kräfte wirken innerhalb der Stoffe? Wie beeinflussen sie die Aggregatzustände?
Lösung
Alle Stoffe um dich herum haben einen Aggregatszustand. Dieser ist entweder fest, flüssig oder gasförmig. In welchem davon der Stoff bei Raumtemperatur vorliegt, hängt von der Größe der Teilchen, aus denen er aufgebaut ist, und von den Kräften innerhalb des Stoffes ab.
Der Aggregatzustand ist abhängig von Druck ($p$) und Temperatur ($T$). Jeder Stoff hat charakteristische Schmelz- und Siedepunkte. Diese kannst du dem Phasendiagramm des jeweiligen Stoffes entnehmen. Somit kann also jeder Stoff in allen drei Aggregatzuständen vorliegen.
In einem Feststoff sind die Teilchen an ihren Platz gebunden. Sie können aber an diesem Platz „schwingen“. Je höher die Temperatur, desto heftiger wird diese Schwingung. Irgendwann übersteigt die Energie der Schwingung die Kräfte, die den Feststoff zusammenhalten. Dann ist der Schmelzpunkt erreicht, an dem der Übergang zur flüssigen Phase beginnt.
In Flüssigkeiten können sich die Teilchen zwar frei bewegen, sie wechselwirken aber noch stark miteinander. Es kann weiter Energie aufgenommen werden, wodurch sich die Teilchen noch schneller bewegen. Ab einem bestimmten Punkt (Siedepunkt) ist diese Energie dann so groß, dass der Übergang in die Gasphase beginnt. In einem Gas liegen die Teilchen sehr weit auseinander, wodurch die Wechselwirkung zwischen ihnen sehr schwach ist.