Wasserstoffbrückenbindungen bilden sich nicht zufällig

Allgemein

Der letzte Blogartikel wurde dem Thema – Warum das Wassermolekül ein Dipol ist -gewidmet. Hier wird erörtert, warum das Wassermolekül eine permanente elektrische Ladung trägt und somit einen Dipolcharakter besitzt. Durch die Ausbildung eines positiven und eines negativen Pols am Wassermolekül ergeben sich Anziehung bzw. Abstoßung unter den dicht nebeneinander liegenden Wassermolekülen. Da sich positive und negative Pole anziehen gehen die Moleküle untereinander Bindungen ein – so genannte Wasserstoffbrückenbindungen. Der Name kommt daher, da sich zwischen dem positiv geladenen Wasserstoffatom und einem negativ geladenen Sauerstoffatom eine Bindung aufbaut. Diese Wasserstoffbrückenbindung sind in der Regel deutlich schwächer als kovalente oder ionische Bindungen. Dennoch ist diese Bindungsart oft entscheidend bei der Bindung unterschiedlicher Moleküle, so wird zum Beispiel über Wasserstoffbrücken die Struktur verschiedener Peptide und Nucleinsäuren bestimmt. Es ist bereits Stand der Wissenschaft, dass Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen eine wichtige Rolle spielen. Sämtliche Eisstrukturen werden durch diese Bindungsart erzeugt, wobei sich die Bindung nicht nur auf die Eisphase beschränkt. Wie sich diese Bindungen genau ergeben, welchen geometrischen Gesetzmäßigkeiten sie folgen und welche Möglichkeiten sich daraus ergeben, ist Gegenstand dieses Artikels.

Anomalien des Wassers bedingt durch H- Brücken

Wasserstoffbrücken sind besonders im festen Zustand wirksam. Veranschaulicht wird dies in Abbildung 1 durch die gepunkteten Linien. Beim Eis sind bis jetzt acht Kristallstrukturen bekannt, von denen allerdings keine der anderen gleicht. Durch die Wasserstoffbrücken ergeben sich kleinste Hohlräume zwischen den Molekülen. Daraus folgt, dass die Dichte des Eises kleiner ist, als die Dichte der flüssigen Phase. Dies bewirkt die Dichteanomalie des Wassers. Ein weiteres, anomales Verhalten des Wassers ist die hohe Verdampfungswärme. Die Verdampfungswärme hat ebenfalls die Ursache in den H-Brücken, welche beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand aufgebrochen werden müssen. Die Phasen, Umwandlungstemperaturen und Druckverhältnisse, welche sich speziell durch die Wasserstoffbrückenbindungen ändern, sind in der Tabelle 1 dargestellt. (ENGLER UND HAINSCHWANG, 1991)

Abb. 1 Wasserstoffbrücken im Eis

Abb. 1 Wasserstoffbrückenbindungen im Eis

Abb. 2 Wasserstoffbrücken - H2O.png

Abb. 2 Wasserstoffbrückenbindung H2O

Tabelle 1

Geometrische Ausbildung einer Wasserstoffbrückenbindung im Wasser

Die Kenntnisse über Struktur und Bindungsgeometrie in den Wasserclustern sind Grundvoraussetzung für das Verständnis von Wasser in der flüssigen Phase und im Eis, sowie seiner Lösungsmitteleigenschaften. Moderne, quantenmechanische und hochauflösende spektroskopische Methoden konnten große Erfolge bei der Charakterisierung solcher Cluster verzeichnen. (LUDWIG, 2001)

Eine H-Brücke ist, wie bereits erwähnt, viel schwächer als die normale chemische Verbindung innerhalb des Wassermoleküls zwischen Wasserstoff- und Sauerstoffatomen.

Abb. 3 Wasserdimer

Abb. 3: Wasserdimer (LUDWIG und PASCHEK, 2005, 167)

Trotzdem stellt diese Bindungsart die dominante Wechselwirkung zwischen den Wassermolekülen dar. Dieser Umstand ist Anlass für große Anstrengungen in Theorie und Experiment, den Urtyp eines H-Brücken- gebundenen Systems zu untersuchen: das Wasserdimer.

Dieses, in Abbildung 3 gezeigte Wasserdimer, kommt in der Gasphase vor und wurde zum ersten Mal von Dyke und Mitarbeitern vermessen (ODUTOLA und DYKE, 1980).

Abb. 4 Ringförmiger Wassercluster

Abb. 4: Ringförmiger Wassercluster (LUDWIG und PASCHEK, 2005, 167)

Ihre Resultate, welche mittels Molekularstrahl-resonanzmethode gewonnen wurden, zeigen deutlich, dass die bevorzugte energetische Konfiguration eine Symmetrieebene besitzt, die durch das H-Brückendonormolekül auf der rechten Seite und die Symmetrieachse des Moleküls auf der linken Seite gezeichnet wird. Werden dem Wasser-Dimer weitere Moleküle hinzugefügt, entstehen aufgrund der bevorzugten Geometrie kleine Ringe (siehe Abbildung 4). In einer solchen Ringstruktur ist jedes Wassermolekül einfacher Donor und Akzeptor eines Protons. (LUDWIG und PASCHEK, 2005)

Die bereits im Artikel über das Dipolverhalten von H2O erörterte tetraedrische Anordnung der H-Brückenbildner in einem einzelnen Molekül lässt höchstens vier Wasserstoffbrücken von einem Wassermolekül zu den benachbarten Molekülen zu (siehe Abbildung 5).

Abb. 5 tetraedischer Wassercluster

Abb. 5: Tetraedrische Struktur eines von vier Nachbarn umgebenen Zentralmolekül (LUDWIG und PASCHEK, 2005, 167)

Es fungieren die beiden Wasserstoffatome des zentralen Moleküls als Acceptoren und die beiden freien Elektronenpaare als Donoren. Diese tetraedrisch koordinierten Einheiten erfüllen den Raum. Solche Strukturen sind im Eiskristall zu finden, zu welchem Wasser bei Normaldruck gefriert. Dieser Umstand lässt vermuten, dass sämtliche mikroskopische und makroskopische Eigenschaften des Wassers mit seinem tetraedrischen Wasserstoff- Brückennetzwerk erklärt werden können. (LUDWIG, 2001)

Wie bereits beschrieben, liegen im festen Zustand (Eis) die meisten Bindungen dieser Form vor. Jedes O-Atom ist hier tedraedrisch von vier H-Atomen umgeben. Wobei zwei durch Atombindung und zwei durch H-Bindung festgehalten werden. Schmilzt nun dieses Eis, bricht die Gitterordnung zusammen, jedoch ist dann auch im flüssigen Zustand noch eine gewisse Ordnung vorhanden. Untersucht wurde auch der umgekehrte Vorgang, nämlich das Kondensieren von Wasserdampf wobei festgestellt wurde, dass beim Unterschreiten von 100°C (Kondensation) die Bildung von Zweier-, Dreier-, Vierer- und höheren Aggregaten bis (H2O)6 eintritt. Diese Aggregation (Assoziation) nimmt mit fallenden Temperaturen zu. So bestehen bei 70°C bereits Netzwerke aus etwa 25 Molekülen, bei 20°C aus 90 Molekülen und bei 0°C (flüssig) aus ca. 100 Molekülen. (HENNING und KNÖFEL, 2002)

Zusammenfassung

Es wurde in aller Kürze behandelt, wie sich Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Da jedes Wassermolekül die Möglichkeit besitzt vier Wasserstoffbrücken auszubilden und immer ausreichend Wassermoleküle vorhanden sind, ergeben sich unendlich viele Möglichkeiten der Bildung von Wasserclustern. Modernsten Messmethoden ist es zu verdanken, dass man heute weiß, dass die Bildung einer Wasserstoffbrücke nicht irgendwie passiert. Vielmehr passiert das entlang einer Symmetrieebene und somit in einer geometrisch vorgegebenen Form. Bis zum tetraedrischen Wassercluster ist das Verhalten nachvollziehbar beschrieben und mittels moderner Methoden berechnet. Auch größere Clusterformen sind bereits berechnet (bis n=200), allerdings werden die Unsicherheiten ab n=4 immer größer.

Auf dieser Tatsache bauen verschiedenste Theorien auf, welche in folgenden Artikeln behandelt werden. Mit dem Wissen über das Dipolverhalten des Wassermoleküls und der Kenntnis über die geometrisch vorgegebene Ausbildung von Wasserstoffbrücken kann man nun gängige Theorien über Wassereigenschaften nachvollziehen und weiter ausbauen.

Herzlichst

Martin Franz Neuhuber

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