Wasserstoffbrückenbindungen im Wasser

Du bist ein sprechender, Werkzeug-machender, lernender Beutel voll Wasser. Okay, das ist nicht komplett richtig, aber es ist nah dran, da der menschliche Körper zu 60 bis 70 % aus Wasser besteht. Und nicht nur Menschen—die meisten Tiere und sogar winzige Bakterien bestehen zum größten Teil aus Wasser${}^1$‍. Wasser ist der Schlüssel zur Existenz von Leben, wie wir es kennen. Das klingt dramatisch, aber es ist wahr—und dramatische Dinge, die wahr sind, sind das, was das Leben interessant macht! Der größte Anteil der chemischen Reaktionen und des Metabolismus einer Zelle eines Organismus findet in der Wasser-basierten "Masse" im Inneren der Zellen statt, dem Cytosol.

Wasser macht nicht nur einen großen Anteil der Körper von Organismen aus, es hat auch einige ungewöhnliche chemische Eigenschaften, die ihm sehr gut bei der Unterstützung des Lebens helfen. Diese Eigenschaften sind für die Biologie auf verschiedenen Ebenen, von Zellen über Organismen bis zu Ökosystemen, wichtig. In den folgenden Artikeln kannst du mehr über die lebenserhaltenden Eigenschaften von Wasser erfahren:

Wasser verdankt diese einzigartigen Eigenschaften der Polarität seiner Moleküle und vor allem ihrer Fähigkeit, untereinander und mit anderen Molekülen Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden. Im folgenden schauen wir uns an, wie diese Wasserstoffbrückenbindungen funktionieren.

Der Schlüssel zum Verständnis des chemischen Verhaltens von Wasser ist seine molekulare Struktur. Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen, die an ein Sauerstoffatom gebunden sind. Die Struktur des Moleküls ist gebogen. Dies liegt daran, dass das Sauerstoffatom neben den Bindungen mit den Wasserstoffatomen auch noch ungeteilte Elektronenpaare besitzt. Alle diese Elektronenpaare—die geteilten und ungeteilten—stoßen sich gegenseitig ab.

Die stabilste Anordnung ist diejenige, bei denen sie am weitesten voneinander entfernt sind: ein Tetraeder, bei dem die $\text{O}-\text{H}$‍-Bindungen zwei der vier "Beine" bilden. Die freien Elektronenpaare besitzen eine etwas stärkere Abstoßung als die gebundenen Elektronen, sodass der Winkel zwischen den $\text{O}-\text{H}$‍-Bindungen mit zirka 104,5°etwas weniger als die 109° eines perfekten Tetraeders ist.${}^2$‍

Weil Sauerstoff elektronegativer—"gierig nach Elektronen"—als Wasserstoff ist, zieht das $\text{O}$‍-Atom die Elektronen an sich und hält sie fern von den $\text{H}$‍-Atomen. Dadurch erhält das Sauerstoff-Ende des Wassermoleküls eine negative Partialladung, während das Wasserstoff-Ende eine positive Partialladung erhält. Wasser gilt aufgrund seiner polaren kovalenten Bindungen und seiner gebogenen Form als polares Molekül${}^{2,3}$‍.

Aufgrund ihrer Polarität ziehen sich Wassermoleküle gegenseitig an. Das positive Ende eines Moleküls—ein Wasserstoffatom—verbindet sich mit dem negativen Ende eines anderen—einem Sauerstoffatom.

Diese Anziehung ist ein Beispiel für Wasserstoffbrückenbindungen, schwache Wechselwirkungen, die sich zwischen Wasserstoffatomen mit positiven Partialladungen und elektronegativeren Atomen, wie dem Sauerstoff, bilden. Die Wasserstoffatome, die an Wassestoffbrückenbindungen beteiligt sind, müssen an elektronegative Atome, wie $\text{O}$‍, $\text{N}$‍ oder $\text{F}$‍ gebunden sein.

Wassermoleküle werden auch von anderen polaren Substanzen und Ionen angezogen. Eine geladene oder polare Substanz, die mit Wasser interagiert und sich darin löst, wird hydrophil genannt: hydro bedeutet "Wasser" und phil bedeutet "liebend." Im Gegensatz dazu interagieren nicht-polare Moleküle wie Öle und Fette nicht gut mit Wasser. Sie trennen sich eher davon, als dass sie sich darin lösen. Deshalb werden sie hydrophob genannt: phob bedeutet "ängstlich" oder "meidend". Du hast das bestimmt schon als nicht so praktische Eigenschaft von Salatdressings aus Essig und Öl bemerkt. Essig ist eigentlich nur Wasser mit etwas Säure.