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Wasserstoffbrückenbindungen sind starke zwischenmolekulare Kräfte, die zwischen einem Wasserstoffatom und einem stark elektronegativen Atom (Fluor, Sauerstoff, Stickstoff) entstehen und die besonderen physikalischen Eigenschaften von Wasser erklären.
Wasserstoff ist das einfachste Element des Periodensystems und besteht im Grundzustand aus nur einem Proton und einem Elektron. In kovalenten Bindungen teilt es sein Elektron mit anderen Atomen. Wenn Wasserstoff jedoch an Partner mit einer sehr hohen Elektronegativität (die Fähigkeit, Elektronenpaare anzuziehen) gebunden ist, verschiebt sich die Ladungsverteilung extrem.
Die wichtigsten Partner für diese Bindungsart sind Fluor (F), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N) – merkbar durch die Eselsbrücke 'FON-Regel'. Da diese Atome die Bindungselektronen stark zu sich ziehen, erhält der Wasserstoff eine positive Partialladung (Teilladung, Symbol δ+), während der Partner eine negative Partialladung (δ-) trägt.
Eine Wasserstoffbrückenbindung ist die elektrostatische Anziehung zwischen diesem positiv polarisierten Wasserstoffatom eines Moleküls und einem freien Elektronenpaar eines stark elektronegativen Atoms eines benachbarten Moleküls. Obwohl sie deutlich schwächer als kovalente Bindungen sind, gehören sie zu den stärksten zwischenmolekularen Kräften.
Das Wassermolekül (H2O) ist das Paradebeispiel: Durch die gewinkelte Struktur und die polaren Bindungen wirkt es als Dipol (ein Molekül mit zwei entgegengesetzten Ladungspolen). Jedes Wassermolekül kann theoretisch bis zu vier Wasserstoffbrücken zu Nachbarmolekülen ausbilden, was zu einem stabilen Netzwerk führt.
Dieses Netzwerk erklärt die Anomalie des Wassers. Während sich fast alle Stoffe beim Abkühlen zusammenziehen und ihre Dichte erhöhen, erreicht Wasser seine höchste Dichte bei 4 °C. Kühlt es weiter ab, ordnen sich die Moleküle in einem weitmaschigen Kristallgitter an, um die Wasserstoffbrücken optimal auszurichten.
Durch dieses Kristallgitter im Eis nehmen die Moleküle mehr Raum ein als im flüssigen Zustand. Das bedeutet: Eis hat eine geringere Dichte als flüssiges Wasser und schwimmt deshalb oben. Ohne diese Anomalie würden Gewässer vom Grund her zufrieren, was das Überleben von Wasserorganismen im Winter unmöglich machen würde.
