Polare Moleküle, die ein Wasserstoffatom enthalten, können elektrostatische Bindungen bilden, die als Wasserstoffbrücken bezeichnet werden. Das Wasserstoffatom ist insofern einzigartig, als es aus einem einzelnen Elektron um ein einzelnes Proton besteht. Wenn das Elektron von den anderen Atomen im Molekül angezogen wird, führt die positive Ladung des exponierten Protons zu einer molekularen Polarisation.
Dieser Mechanismus ermöglicht es solchen Molekülen, starke Wasserstoffbrückenbindungen über die kovalenten und ionischen Bindungen hinaus zu bilden, die die Grundlage der meisten Verbindungen sind. Wasserstoffbrücken können Verbindungen besondere Eigenschaften verleihen und Materialien stabiler machen als Verbindungen, die keine Wasserstoffbrückenbindungen bilden können.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Polare Moleküle, die ein Wasserstoffatom in einer kovalenten Bindung enthalten, haben eine negative Ladung an einem Ende des Moleküls und eine positive Ladung am gegenüberliegenden Ende. Das einzelne Elektron des Wasserstoffatoms wandert zum anderen kovalent gebundenen Atom und lässt das positiv geladene Wasserstoffproton frei. Das Proton wird vom negativ geladenen Ende anderer Moleküle angezogen und geht mit einem der anderen Elektronen eine elektrostatische Bindung ein. Diese elektrostatische Bindung wird als Wasserstoffbrücke bezeichnet.
Wie polare Moleküle entstehen
In kovalenten Bindungen teilen sich Atome Elektronen, um eine stabile Verbindung zu bilden. Bei unpolaren kovalenten Bindungen werden die Elektronen gleich verteilt. Beispielsweise werden in einer unpolaren Peptidbindung Elektronen gleichmäßig zwischen dem Kohlenstoffatom der Kohlenstoff-Sauerstoff-Carbonylgruppe und dem Stickstoffatom der Stickstoff-Wasserstoffamid-Gruppe geteilt.
Bei polaren Molekülen neigen die in einer kovalenten Bindung geteilten Elektronen dazu, sich auf einer Seite des Moleküls zu sammeln, während die andere Seite positiv geladen wird. Die Elektronen wandern, weil eines der Atome eine größere Affinität für Elektronen hat als die anderen Atome in der kovalenten Bindung. Während beispielsweise die Peptidbindung selbst unpolar ist, ist die Struktur des assoziierten Proteins darauf zurückzuführen zu Wasserstoffbrücken zwischen dem Sauerstoffatom der Carbonylgruppe und dem Wasserstoffatom des Amids Gruppe.
Typische kovalente Bindungskonfigurationen paaren Atome, die mehrere Elektronen in ihrer äußeren Hülle haben, mit solchen, die die gleiche Anzahl von Elektronen benötigen, um ihre äußere Hülle zu vervollständigen. Die Atome teilen sich die zusätzlichen Elektronen des vorherigen Atoms, und jedes Atom hat manchmal eine vollständige äußere Elektronenhülle.
Oft zieht das Atom, das zusätzliche Elektronen benötigt, um seine äußere Hülle zu vervollständigen, die Elektronen stärker an als das Atom, das die zusätzlichen Elektronen bereitstellt. In diesem Fall werden die Elektronen nicht gleichmäßig verteilt und verbringen mehr Zeit mit dem empfangenden Atom. Als Ergebnis neigt das empfangende Atom dazu, eine negative Ladung aufzuweisen, während das Donoratom positiv geladen ist. Solche Moleküle sind polarisiert.
Wie Wasserstoffbrücken entstehen
Moleküle, die ein kovalent gebundenes Wasserstoffatom enthalten, sind oft polarisiert, weil das einzelne Elektron des Wasserstoffatoms vergleichsweise locker gehalten wird. Es wandert leicht zum anderen Atom der kovalenten Bindung, wobei das einzelne positiv geladene Proton des Wasserstoffatoms auf einer Seite zurückbleibt.
Wenn das Wasserstoffatom sein Elektron verliert, kann es eine starke elektrostatische Bindung eingehen, da es im Gegensatz zu anderen Atomen keine Elektronen mehr hat, die die positive Ladung abschirmen. Das Proton wird von den Elektronen der anderen Moleküle angezogen und die resultierende Bindung wird als Wasserstoffbrücke bezeichnet.
Wasserstoffbrücken in Wasser
Die Wassermoleküle mit der chemischen Formel H2O, sind polarisiert und bilden starke Wasserstoffbrückenbindungen. Das einzelne Sauerstoffatom bildet kovalente Bindungen mit den beiden Wasserstoffatomen, teilt aber die Elektronen nicht gleichmäßig. Die beiden Wasserstoffelektronen verbringen die meiste Zeit mit dem Sauerstoffatom, das negativ geladen wird. Die beiden Wasserstoffatome werden zu positiv geladenen Protonen und bilden mit den Elektronen aus den Sauerstoffatomen anderer Wassermoleküle Wasserstoffbrückenbindungen.
Da Wasser diese zusätzlichen Bindungen zwischen seinen Molekülen bildet, hat es mehrere ungewöhnliche Eigenschaften. Wasser hat eine außergewöhnlich hohe Oberflächenspannung, einen ungewöhnlich hohen Siedepunkt und benötigt viel Energie, um von flüssigem Wasser in Dampf umzuwandeln. Solche Eigenschaften sind typisch für Materialien, bei denen polarisierte Moleküle Wasserstoffbrückenbindungen bilden.