Fortgeschrittene intermolekulare Wechselwirkungen einfach erklärt

Hast du dich jemals gefragt, warum ein Wasserläufer auf der Wasseroberfläche laufen kann, ohne unterzugehen, oder warum sich ein Löffel Salz im Nudelwasser scheinbar in Luft auflöst?

Beides hat mit unsichtbaren, aber sehr starken Kräften zwischen Teilchen zu tun. In diesem Artikel über fortgeschrittene intermolekulare Wechselwirkungen und Ionenwechselwirkungen lernen wir, wie Wasser andere Stoffe wie Salze umhüllt und warum Wassermoleküle untereinander so stark zusammenhalten.

Vorwissen

• Ionen: Elektrisch geladene Teilchen.

  Beispiel: Kochsalz besteht aus positiv geladenen Kationen ($\text{Na}^+$) und negativ geladenen Anionen ($\text{Cl}^-$).

• Dipole: Moleküle, die eine ungleichmäßige Ladungsverteilung haben, also einen positiven und einen negativen Pol besitzen.

  Beispiel: Im Wassermolekül ($\text{H}_2\text{O}$) ist das Sauerstoffatom leicht negativ ($\delta^-$) und die Wasserstoffatome sind leicht positiv ($\delta^+$).

• Elektronegativität (EN): Ein Maß dafür, wie stark ein Atom in einer Bindung Elektronen an sich zieht.

  Beispiel: Sauerstoff hat eine sehr hohe Elektronegativität und zieht Elektronen stark an.

Aufgabentyp 1: Ion-Dipol-Kräfte und Hydrathüllen

Wenn du Kochsalz ($\text{NaCl}$) in Wasser gibst, zerfällt das feste Salzkörperchen in einzelne, frei bewegliche Ionen: positiv geladene Natrium-Ionen ($\textcolor{#08BFFF}{\text{Na}^+}$) und negativ geladene Chlorid-Ionen ($\textcolor{#53E5D6}{\text{Cl}^-}$).

Wassermoleküle sind Dipole. Das bedeutet, sie haben einen leicht negativen Pol am Sauerstoffatom und einen leicht positiven Pol an den Wasserstoffatomen. In der Chemie gilt: Gegensätze ziehen sich an!

• Das $\textcolor{#08BFFF}{\text{Na}^+}$-Kation zieht die negativen Sauerstoffenden der Wassermoleküle an.

• Das $\textcolor{#53E5D6}{\text{Cl}^-}$-Anion zieht die positiven Wasserstoffenden der Wassermoleküle an.

Auf diese Weise wird jedes Ion von einer maßgeschneiderten Schicht aus Wassermolekülen umringt. Diese Wasserhülle nennt man Hydrathülle. Die Anziehungskraft, die das Ion und das Wassermolekül zusammenhält, heißt Ion-Dipol-Kraft. Da Ionen eine volle elektrische Ladung besitzen (und nicht nur eine schwache Teilladung wie Dipole), sind Ion-Dipol-Kräfte deutlich stärker als normale Dipol-Dipol-Kräfte.

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 2: Wasserstoffbrückenbindungen

Manchmal sind die Anziehungskräfte zwischen Dipolen außergewöhnlich stark. Das ist der Fall bei den Wasserstoffbrückenbindungen (oft einfach Wasserstoffbrücken genannt). Damit diese entstehen können, müssen zwei strenge Bedingungen erfüllt sein:

1. Ein Wasserstoffatom ($\text{H}$) muss kovalent an ein sehr stark elektronegatives Atom gebunden sein. Das sind fast immer Fluor ($\text{F}$), Sauerstoff ($\text{O}$) oder Stickstoff ($\text{N}$). Man nennt dies oft die FON-Regel.

2. Weil F, O und N die Elektronen so stark an sich ziehen, entsteht am Wasserstoffatom eine sehr starke positive Partialladung.

Dieses extrem positiv geladene Wasserstoffatom wirkt nun wie ein starker Magnet auf die freien Elektronenpaare der F-, O- oder N-Atome von benachbarten Molekülen. Ein weiteres Beispiel neben Wasser ist Fluorwasserstoff ($\text{HF}$), bei dem sich die Brücken zwischen dem H-Atom des einen und dem F-Atom des anderen Moleküls bilden.

Wasserstoffbrückenbindungen sind deutlich stärker als London-Kräfte oder normale Dipol-Dipol-Kräfte. Sie sind der Grund dafür, dass Wassermoleküle so extrem stark zusammenhalten. Das erklärt, warum Wasser eine so hohe Oberflächenspannung hat (sodass Insekten darauf laufen können) und warum es einen ungewöhnlich hohen Siedepunkt besitzt.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Die FON-Regel prüfen: Suche im Molekül nach einem Wasserstoffatom ($\text{H}$), das direkt an ein Fluor- ($\text{F}$), Sauerstoff- ($\text{O}$) oder Stickstoffatom ($\text{N}$) gebunden ist.
2. Freie Elektronenpaare finden: Prüfe, ob das benachbarte Molekül ebenfalls ein F-, O- oder N-Atom besitzt, welches freie Elektronenpaare hat.
3. Die Brücke schlagen: Die Wasserstoffbrückenbindung entsteht genau zwischen dem $\text{H}$-Atom aus Schritt 1 und dem freien Elektronenpaar aus Schritt 2.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Dimethylether ($\text{CH}_3\text{-O-CH}_3$) und Ethanol ($\text{CH}_3\text{-CH}_2\text{-OH}$) enthalten beide Sauerstoff und Wasserstoff.

Welcher dieser Stoffe kann unter seinen eigenen Molekülen Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden? Begründe deine Antwort.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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   Schritt 1
   Die FON-Regel prüfen

   In Dimethylether sind alle Wasserstoffatome an Kohlenstoffatome gebunden, nicht an den Sauerstoff. Die FON-Regel ist nicht erfüllt. In Ethanol ist ein Wasserstoffatom direkt an das Sauerstoffatom gebunden ($\text{-OH}$). Die FON-Regel ist erfüllt.

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   Schritt 2
   Freie Elektronenpaare finden

   Das Sauerstoffatom im Ethanol-Molekül besitzt freie Elektronenpaare.

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   Schritt 3 · Ergebnis
   Schlussfolgerung ziehen

   Nur Ethanol kann unter seinen eigenen Molekülen Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden, da nur hier ein H-Atom direkt an ein O-Atom gebunden ist, welches dann mit den freien Elektronenpaaren eines benachbarten Ethanol-Moleküls wechselwirken kann.

Ergebnis:

Nur Ethanol kann Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden, da es die FON-Regel erfüllt.

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Wichtige Erkenntnisse

• Ion-Dipol-Kräfte wirken zwischen geladenen Ionen und polaren Molekülen (wie Wasser) und sind stärker als normale Dipol-Dipol-Kräfte.

• Beim Lösen von Salzen bilden sich Hydrathüllen: Kationen ziehen den negativen Pol des Wassers an, Anionen den positiven Pol.

• Wasserstoffbrückenbindungen entstehen nur, wenn ein H-Atom direkt an ein F-, O- oder N-Atom gebunden ist (FON-Regel).

• Das stark positiv geladene H-Atom wechselwirkt dann mit den freien Elektronenpaaren eines benachbarten F-, O- oder N-Atoms.