Hallo,
ich bin in der neunten Klasse auf einem Gymnasium und muss ein Referat über die Wasserstoffbrückenbindung halten. Das hab ich auch alles größtenteils verstanden, nur bleiben doch noch zwei Fragen offen:
Wieso endstehen diese Bindungen gerade beim Wasserstoff, es gibt doch noch viele Elemente die eine noch niedrigere Elektronegativität haben als Wasserstoff, gerade in der 1. Hauptgruppe des PSE?!
Und, was sind genau diese kurzlebigen Gebilde von H2O Molekülen, die auf den H-Brücken basieren, die „Wassercluster“? Und wie können die z.B. die Dichteanomalie des Wassers erklären?
Hallo,
ich bin in der neunten Klasse auf einem Gymnasium und muss ein
Referat über die Wasserstoffbrückenbindung halten.
Hallo Lukas,
na herzlichen Glückwunsch, ist ein ganz spannendes Thema!
Das hab ich
auch alles größtenteils verstanden, nur bleiben doch noch zwei
Fragen offen
eigentlich sind es ja drei Fragen 
Wieso endstehen diese Bindungen gerade beim Wasserstoff, es
gibt doch noch viele Elemente die eine noch niedrigere
Elektronegativität haben als Wasserstoff, gerade in der 1.
Hauptgruppe des PSE?!
Das mit den Bindungen ist ja nicht wie beim Skat, es bekommt nicht
nur der höchste Trumpf den Stich.
Also: Mit den anderen Elementen hast du ja recht, der Punkt ist nur:
In einer wässrigen Lösung gibt es einfach viel viel viel mehr Wasser als
meinetwegen Natrium und Chlor. Die paar Na+ und Cl- machen ihr Spiel und
binden auch viel fester an die Wassermoleküle als die H-H Brücke, aber es sind halt nur wenig.
Bsp: 10%ige NaCl: macht 1,7 mol/l Na+, 1,7 mol/l Cl- und spaßige 100 mol/l von den H-Atomen im Wasser.
DIe H-Brücke ist vermutlich mit eine der schwächsten gerichteten Wechselwirkungen in der Chemie überhaupt, nur sind die Atome die daran beteiligt sein können eben auch sehr sehr häufig.
Und, was sind genau diese kurzlebigen Gebilde von H2O
Molekülen, die auf den H-Brücken basieren, die
„Wassercluster“?
Na mal doch mal auf einem Zettel rum: Lauter kleine Winkel, flacher als rechte Winkel, wie Schwalben in einer Skizze. Am Bauch sitzt das O und an den Flügeln die H Atome, und dann geht es los: Flügelspitze an Bauch ( H–O) an den freien Bauch auch eine Flügelspitze öfter auch mal zwei Flügelspitzen in Richtung eines Bauches. Schon siehst Du wie so ein Cluster aussieht. Wie ein Gänseschwarm auf Wanderschaft.
Und wie können die z.B. die Dichteanomalie
des Wassers erklären?
H-Brücken erklären so einiges, zum Beispiel auch die dreidimensionale Struktur von Proteinen.
Aber zur Dichte-Anomalie des Wassers:
Bei höheren Temperaturen spielen die Wasserstoffbrücken keine so große Rolle, sie sind halt recht schwach, und Wassermoleküle bewegen sich recht schnell. Hin und wieder gibt es ein paar Wassermoleküle die verbrückt sind, aber im großen und ganzen sind das wenige und die Moleküle fliegen frei und schnell im Wasser durcheinander. Das braucht Platz => geringe Dichte.
Bei sinkenden Temperaturen nimmt die Bewegung der Wasserteilchen weiter ab, die Dichte erhöht sich zusätzlich spielen aber auch die Wasserstoffbrücken zunehmend eine Rolle und fesseln immer größere Verbände von Wassermolekülen aneinander => Die Dichte nimmt zu und zwar stärker als man denken sollte (wegen der H-Brücken)
Bei weiter sinkenden Temperaturen gibt es recht große Cluster von Wassermolekülen, die sind aber in sich immer noch gut beweglich und schmiegen sich durch ungeordnete Mehrfachbrücken und Masseanziehung und aufgrund statistischer Effekte eng aneinander an => Die Dichte hat ein Maximum
Bei noch weiter sinkenden Temperaturen spielt die Bewegung keine Rolle mehr, die Wasserstoffbrücken sind die dominierende Anziehungskraft und das Wasser wird in diejenige Kristallstruktur gezwungen, die eine maximale Anzahl von Wasserstoffbrücken ergibt. Das ergibt eine hexagonale Anordnung mit recht großen Lücken drin => die Dichte ist geringer
Herzliche Grüße
Timm
Die anderen Elemente mit niedrigerer Elektronegativität sind entweder Metalle (da haben wir dann Ionenbindungen) oder es sind Nichtmetalle mit viel größeren Atomen (deswegen können die Moleküle dann auch nicht so nahe zusammenrücken wie bei Wasserstoffverbindungen, und die Anziehungskräfte sind nicht sehr stark).
Diese Cluster sind Gruppen von Wassermolekülen, die über H-Brücken (sehr) kurzzeitig miteinander verbunden sind. Perfekt zueinander ausgerichtet und permanent findet man diese Struktur in festem Wasser = Eis. Da im flüssigen Wasser sich die Moleküle etwas enger zusammenpacken können als im Eis, ist die Dichte von Wasser höher.
Gruß,
Franz
Hallo Lukas,
Wasserstoffbrückenbindungen sind elektrostatische Bindungen.Die Stärke liegt unter denen der kovalenten Atombindung und der ionischen Bindungen. Im Wasser beruht sie darauf, dass die Wasserstoffatome und das Sauerstoffatom nicht auf einer geraden Linie liegen (H–O–H), sondern einen Winkel bilden, wodurch die elektrischen Ladung asymmetrisch verteilt ist. Am Sauerstoffatom negativ, an den Wasserstoffatomen positiv.
Diese Ladungen benachbarter Moleküle ziehen sich gegenseitig an und so bilden sich Ketten und größere Gruppen. Diese nennt man Cluster. Die einzelnen Wassermoleküle sind also nicht frei beweglich.
Wasserstoffbrückenbindungen sind auch unter anderem verantwortlich für die Strukturen von Proteinen.
Die anderen Elemete der 1. HG bilden auf grund der geringen Elektronegativität ionische Bindungen (das ist abhängig von der Differenz der Elektronegativitäten der an der Bildung beteiligten Atome, je größer die Differenz desto ionischer ist die Bindung), der Wasserstoff ist so ein Zwischending (s.o.)
Wassermoleküle sind Dipole, besitzen also ausgeprägte zwischenmolekulare Anziehungskräfte und können sich durch Wasserstoffbrückenbindung zu Clustern zusammenlagern. Dabei handelt es sich nicht um beständige, feste Verkettungen, Wasserstoffbrückenbindungen bestehen nur für Bruchteile von Sekunden, wonach sich die einzelnen Moleküle wieder aus dem Verbund lösen und sich in einem ebenso kurzen Zeitraum erneut - mit anderen Wassermolekülen - verketten. das wiederholt sich ständig und führt letztendlich zur Ausbildung von variablen Clustern. Diese Vorgänge sind verantwortlich für die Anomalien des Wassers.
Dichtanomalie des Wassers:
Die allermeisten natürlichen Stoffe dehnen sich bei Erwärmung aus, wodurch ihr spezifisches Gewicht beziehungsweise ihre Dichte geringer wird. Beim Wasser trifft das auch zu ab einer Temperatur größer als 4°C. Unter 4°C dehnt es sich aus.Es dehnt sich beim Gefrieren um fast 10% aus. Beim Gefrieren bildet sich aus den nur über Wasserstoffbrücken verbundenen Wassermolekülen ein weitmaschiges, mit zahlreichen Hohlräumen durchsetztes Kristallgitter, das mehr Platz einnimmt, als die Einzelmoleküle. Der Kristall benötigt mehr Platz.Die Dichte des Eises ist also um 10% geringer als die Dichte des Wassers. Eis schwimmt daher im Wasser. Das ist aber für das Überleben im Winter wichtig, da Gewässer immer von oben nach unten gefrieren und somit bleibt ein Teil des Wassers immer flüssig, da die Eisschicht gleichzeitig als Isolator wirkt.
So Lukas ich hoffe ich konnte deinen Fragen beantworten.
Wenn nicht kannst du dich gerne wieder an mich wenden.
Ich wünsch Dir viel Erfolg.
Gruß
Vielen Dank, hat mir wirklich sehr geholfen!
Auch Dir, vielen Dank!
Hallo Bernd,
zu meiner Zeit war es viel schwieriger Hausaufgaben zu machen als heute. Es gab kein Internet. Auch als ich studiert habe, gab es kein Internet. Mein heißer Tip, mach mal eine Recherche in der Bibliothek, so habe ich es immer geschafft.
Michael
Moin,
Wieso endstehen diese Bindungen gerade beim Wasserstoff, es
gibt doch noch viele Elemente die eine noch niedrigere
Elektronegativität haben als Wasserstoff,
das hängt mit mehreren Faktoren zusammen.
Wasserstoff ist in organischen Verbindungen (polar) kovalent gebunden, andere Elemente wie z.B. Natrium liegen ionisch vor.
Zudem ist diese Wasserstoffbrückenbindung insofern ein Sonderfall, weil es für unser Leben bzw. die Chemie unseres Lebens besonders wichtig ist.
Ohne Wasser liefe gar nichts und die Waserstoffbrückenbindung stabilisiert z.B. unsere DNA und Proteine.
Und, was sind genau diese kurzlebigen Gebilde von H2O
Molekülen, die auf den H-Brücken basieren, die
„Wassercluster“? Und wie können die z.B. die Dichteanomalie
des Wassers erklären?
Bevor ich hier viele Worte verliere schick ich Dir einfach mal den Wiki-Link
http://de.wikipedia.org/wiki/Anomalie_des_Wassers#Wa…
Viel Spaß
Andreas
Hallo Lukas,
Die Wasserstoffbrückenbindungen bilden sich bei polaren Verbindungen ab/bis zu einer charakteristischen Differenz der Elektronegativitäten zB auch bei HF, NH3 nicht aber bei H2S wenig polar, nicht bei Li2O, Bindung bricht= Ionengitter.
Die Wassermoleküle schließen sich zu tri-tetra-pentameren ebenen (Gebilden=Cluster) und zu den stabilsten sesselförmigen Wasserhexameren (auch in der Gasphase)zusammen.
Hallo Lukas,
Teil 2 : Eis besteht dagegen aus weitmaschigen, von Hohlräumen durchsetzten Kristallstrukturen ähnlich denen des Cristobalit des Sio2. Diese brechen beim Schmelzvorgang zusammen und bilden og Cluster: Dichtezunahme. Die bei steigender Temperatur erhöhte Molelülbewegung bewirkt eine Dichteabnahme mit der Folge eine Dichtemaximums bei 4°C.
Die Elektronegativität des Wasserstoffs allein bewirkt noch keine Bildung der "Wasserstoffbrücken“. (Es gibt Millionen von H-Atom haltigen Stoffen, die diese Brücken nicht Bilden.
Verantwortlich für diese physikalischen Bindungskräfte ist die Polarität des ganzen Moleküls.
Im Wassermolekül ist der Winkel der 2 HO-Bindungen nicht 180 Grad (dann wäre das H-O-H Molekül neutral, da sich die Anziehungskräfte der 2 H-Atome gegenseitig neutralisieren würden), sondern 104 Grad.
Sodass eine Molekülseite Plus- und die andere Minus-Ladung hat (=Polaritet). Diese Ladungen ziehen dann andere polare Moleküle (wie z.B. Wasser) an, sodass sich große Agglomerate aus vielen Wassermolekülen bilden.
Kai
Hallo,
ich bin in der neunten Klasse auf einem Gymnasium und muss ein
Referat über die Wasserstoffbrückenbindung halten. Das hab ich
auch alles größtenteils verstanden, nur bleiben doch noch zwei
Fragen offen:
Wieso endstehen diese Bindungen gerade beim Wasserstoff, es
gibt doch noch viele Elemente die eine noch niedrigere
Elektronegativität haben als Wasserstoff, gerade in der 1.
Hauptgruppe des PSE?!
Und, was sind genau diese kurzlebigen Gebilde von H2O
Molekülen, die auf den H-Brücken basieren, die
„Wassercluster“? Und wie können die z.B. die Dichteanomalie
des Wassers erklären?
Hallo Lukas,
bitte entschuldige meine späte Antwort.
Ich hab ein bisschen recherchiert und hoffe ich kann dir weiter helfen.
Warum gerade Wasserstoff?
Wasserstoffatome sind ziemlich klein im Gegensatz zu anderen Atomen der 1. Hauptgruppe, denn sie bestehen im Grunde nur aus einem Proton im Kern und einem Elektron in der einzigen Schale. Der Atomradius spielt hierbei eine Rolle, denn beim Wasserstoff beträgt dieser lediglich 30 pm (Pikometer), beim Caesium 262 pm. Das ist fast das 10-fache. (Das Cs-Atom hat zu viele Schalen und die Protonen lassen sich nicht so leicht „entblößen“ wie beim Wasserstoff). Somit ist das Besondere gegenüber allen Atomen, dass Wasserstoff eine sehr große positive Ladungsdichte pro Oberfläche hat.
Stichwort: Hohlraumstruktur des Wassers
Bei 4 °C hat Wasser die größte Dichte. Das ist so weil die Cluster von 0 °C bis 4 °C kleiner werden. Diese Cluster liegen auch bei 0 °C vor. Sie sind Eisähnliche Bereiche mit Hohlraumstruktur.
Beim Schmelzen des Eises werden ca. 50 % der Hohraumstruktur abgebaut. Somit nimmt das Volumen um ca. 1/11 ab. Jeder andere Stoff dehnt sich beim Erwärmen aus.
Ich hoffe ich konnte dir irgendwie weiterhelfen. Falls noch Fragen offen sind, sag mir bitte bescheid.
Danke!
Robin
PS: Als Quelle habe ich das Buch „Verständliche Chemie“ von Arnold Arni (Willey-VCH Verlag) verwendet. Vielleicht stößt du irgendwo auf ein Exemplar davon. Dieses Buch kann ich nur empfehlen, da es außergewöhnlich gut erklärt ist.
elektrostatische Anziehungskräfte sind zwischen (fast)allen Molekülen. Sie sind aber rel. sehr schwach. Da das Wassermolekül aufgrund der unsymetrischen Geometrie einen rel. starken (±)Dipol bildet, werden die anderen genauso polarisierten Wassermoleküle rel.stärker angezogen und bilden daher Aggromerate (von mehreren Hundert Molekülen):
(±)(±)(±)(±)(±)(±)(±)(±)…
Wasseraggromerate sind daher deutlich schwerer (als 18g/mol).
Dies prägt auch die phys.Wassereigenschaften;
z.B: Siedepunkte: H²O 100°, H²S -60°(Gas), HCl -85°(Gas).
Der Begriff Wasserstoffbrücken bezieht sich in der 9.Klasse nur auf elektrostatische Kräfte zwischen Wassermolekülen