Wasserstoffbrückenbindung und Anomalie des Wassers

Erklärung: Wasserstoffbrücken (H-Brücken) sind die stärksten zwischenmolekularen Kräfte. Sie wirken zwischen Molekülen, nicht innerhalb eines Moleküls — zum Beispiel zwischen den H₂O-Molekülen einer Flüssigkeit. Voraussetzung: ein stark polarisiertes H–X mit X = N, O oder F.

Erklärung: Falsch. H-Brücken sind etwa 5–30 kJ/mol stark — das ist viel stärker als andere zwischenmolekulare Kräfte (Van-der-Waals 0,1–10 kJ/mol), aber etwa 10× schwächer als eine kovalente Bindung (~400 kJ/mol). Sie sind also Anziehungen zwischen Molekülen, nicht in ihnen.

Erklärung: Methan siedet bei −161 °C, Ammoniak bei −33 °C, Wasser bei 100 °C. Wasserstoffbrücken bilden sich nur, wenn H an einem stark elektronegativen Atom (N, O, F) sitzt: Methan hat zwar die meisten H-Atome, kann aber keine Brücken bilden, weil C kaum elektronegativ ist. NH₃ bildet schwächere Brücken, H₂O mit zwei H und zwei freien Elektronenpaaren ein dichtes Netzwerk. Die Molmasse erklärt den Unterschied nicht.

Erklärung: Die Dichteanomalie zeigt sich auch in flüssigem Wasser — bei 4 °C ist es am dichtesten, danach dehnt es sich beim Abkühlen wieder aus, und beim Gefrieren springt das Volumen um etwa 9 % nach oben. Deshalb schwimmt Eis und Seen frieren nur an der Oberfläche zu — Lebensraum für Fische auch im Winter.

Erklärung: Beim Gefrieren halten die Wasserstoffbrücken jedes Molekül in einem offenen, sechseckigen Gitter mit Hohlräumen fest. Eis braucht deshalb etwa 9 % mehr Platz als das flüssige Wasser (Dichte 0,917 statt 1,000 g/cm³) und wölbt sich über den Rand. Die Masse bleibt gleich, das Volumen nicht – und anders als die meisten Stoffe schrumpft Wasser beim Erstarren nicht.

Erklärung: Im Inneren wird jedes H₂O-Molekül in alle Richtungen gleich stark angezogen. An der Oberfläche fehlen die Nachbarn nach oben, sodass die Anziehung nach innen überwiegt. Das System minimiert seine Oberfläche → Kugelform. Daher "tanzt" auch ein Wasserläufer auf der Oberfläche.

Erklärung: Richtig. Die OH-Gruppe in Methanol oder Ethanol verhält sich fast wie das O-H in Wasser: Sie kann sowohl als Donor als auch als Akzeptor von H-Brücken auftreten. Deshalb mischen sich Methanol, Ethanol und Wasser in jedem Verhältnis. Bei längeren Alkoholen überwiegt der unpolare Kohlenwasserstoffrest und die Mischbarkeit sinkt.

Erklärung: H-Brücken brauchen H–N, H–O oder H–F. CH₄ hat nur C–H-Bindungen — Kohlenstoff ist zu wenig elektronegativ, um die Bindung ausreichend zu polarisieren. Deshalb siedet Methan bei −162 °C, obwohl es ähnlich schwer ist wie Wasser.

Erklärung: Wasser hat eine spezifische Wärmekapazität von 4,18 kJ/(kg·K) — eine der höchsten aller Stoffe. Grund: Beim Erwärmen steckt ein großer Teil der zugeführten Energie zunächst im Brechen von H-Brücken, statt direkt in Bewegungsenergie. Ozeane glätten so die jahreszeitlichen Temperaturschwankungen.