Was verursacht Wasserstoffbrückenbindung?

Eine Wasserstoffbindung tritt zwischen einem Wasserstoffatom und einem elektronegativen Atom (z. B. Sauerstoff, Fluor, Chlor) auf. Die Bindung ist schwächer als eine Ionenbindung oder eine kovalente Bindung, aber stärker als Van-der-Waals-Kräfte (5 bis 30 kJ / mol). Eine Wasserstoffbindung wird als Typ einer schwachen chemischen Bindung klassifiziert.

Warum Wasserstoffbrückenbindungen entstehen

Der Grund für die Wasserstoffbindung ist, dass sich ein Wasserstoffatom und ein negativ geladenes Atom das Elektron nicht gleichmäßig teilen. Wasserstoff in einer Bindung hat immer noch nur ein Elektron, während für ein stabiles Elektronenpaar zwei Elektronen benötigt werden. Das Ergebnis ist, dass das Wasserstoffatom eine schwache positive Ladung trägt, so dass es von Atomen angezogen bleibt, die immer noch eine negative Ladung tragen. Aus diesem Grund tritt bei Molekülen mit unpolaren kovalenten Bindungen keine Wasserstoffbindung auf. Jede Verbindung mit polaren kovalenten Bindungen kann Wasserstoffbrückenbindungen eingehen.

Beispiele für Wasserstoffbrücken

Wasserstoffbrückenbindungen können sich innerhalb eines Moleküls oder zwischen Atomen in verschiedenen Molekülen bilden. Obwohl für die Wasserstoffbrückenbindung kein organisches Molekül erforderlich ist, ist das Phänomen in biologischen Systemen äußerst wichtig. Beispiele für Wasserstoffbrückenbindungen sind:

• zwischen zwei Wassermolekülen
• Halten von zwei DNA-Strängen zusammen, um eine Doppelhelix zu bilden
• verstärkende Polymere (z. B. wiederkehrende Einheit, die zur Kristallisation von Nylon beiträgt)
• Bildung von Sekundärstrukturen in Proteinen wie Alpha-Helix und Beta-Faltblatt
• zwischen den Fasern im Stoff, was zur Faltenbildung führen kann
• zwischen einem Antigen und einem Antikörper
• zwischen einem Enzym und einem Substrat
• Bindung von Transkriptionsfaktoren an DNA

Wasserstoffbrückenbindung und Wasser

Wasserstoffbrückenbindungen sind für einige wichtige Eigenschaften von Wasser verantwortlich. Obwohl eine Wasserstoffbrücke nur 5% so stark ist wie eine kovalente Bindung, reicht dies aus, um Wassermoleküle zu stabilisieren.

• Durch Wasserstoffbrücken bleibt Wasser über einen weiten Temperaturbereich flüssig.
• Wasser hat eine ungewöhnlich hohe Verdampfungswärme, da es zusätzliche Energie benötigt, um Wasserstoffbrücken aufzubrechen. Wasser hat einen viel höheren Siedepunkt als andere Hydride.

Die Auswirkungen der Wasserstoffbrückenbindung zwischen Wassermolekülen haben viele wichtige Konsequenzen:

• Durch die Wasserstoffbindung ist das Eis weniger dicht als das flüssige Wasser, sodass das Eis auf dem Wasser schwimmt.
• Die Wirkung der Wasserstoffbindung auf die Verdampfungswärme trägt dazu bei, dass das Schwitzen ein wirksames Mittel zur Temperatursenkung für Tiere ist.
• Durch die Beeinflussung der Wärmekapazität schützt Wasser vor extremen Temperaturschwankungen in der Nähe von großen Gewässern oder feuchten Umgebungen. Wasser hilft, die Temperatur auf globaler Ebene zu regulieren.

Stärke von Wasserstoffbrückenbindungen

Die Wasserstoffbrückenbindung ist zwischen Wasserstoff und stark elektronegativen Atomen am bedeutendsten. Die Länge der chemischen Bindung hängt von Stärke, Druck und Temperatur ab. Der Bindungswinkel hängt von den spezifischen chemischen Spezies ab, die an der Bindung beteiligt sind. Die Stärke von Wasserstoffbrücken reicht von sehr schwach (1-2 kJ mol − 1) bis sehr stark (161.5 kJ mol − 1). Einige Beispiele für Dampfenthalpien sind:

F - H…: F (161,5 kJ / mol oder 38,6 kcal / mol)
OH…: N (29 kJ / mol oder 6,9 kcal / mol)
OH…: O (21 kJ / mol oder 5,0 kcal / mol)
N - H…: N (13 kJ / mol oder 3,1 kcal / mol)
N - H…: O (8 kJ / mol oder 1,9 kcal / mol)
HO-H…: OH₃⁺ (18 kJ / mol oder 4,3 kcal / mol)

_Verweise

_{Larson, J. W .; McMahon, T. B. (1984). "Gasphasenbihalogenid- und Pseudobihalogenidionen. Eine Ionenzyklotronresonanz-Bestimmung der Wasserstoffbrückenbindungsenergien in XHY-Spezies (X, Y = F, Cl, Br, CN)". Inorganic Chemistry 23 (14): 2029 & ndash; 2033.}

_{Emsley, J. (1980). "Sehr starke Wasserstoffbrücken". Chemical Society Reviews 9 (1): 91-124.
Omer Markovitch und Noam Agmon (2007). "Struktur und Energetik der Hydronium-Hydratationsschalen". J. Phys. Chem. A 111 (12): 2253-2256.}