Struktur und Eigenschaften des Wassers

6.2.1 Molekulstruktur – Dipolnatur – Wasserstoffbriickenbindung

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Im Wassermolekul sind die Atome nicht linear, sondem gewinkelt angeordnet (Кар. 3.2.3). Der Bindungswinkel betragt 104,5°. Das Sauerstoffatom ist mit den beiden Wasserstoff – atomen jeweils liber eine polare Atombindung verbunden. Die Polaritat der Bindung ist eine Folge der Elektronegativitatsdifferenz zwischen dem Sauerstoffatom (x(O) = 3,5) und dem Wasserstoffatom (x(H) = 2,1). Aufgrund der hoheren Elektronegativitat des Sauer – stoffs verschieben sich die Bindungselektronen zum Sauerstoffatom. Dem О-Atom muss demnach eine negative Partialladung und den Wasserstoffatomen eine positive Partialla – dung zugeordnet werden. Da aufgrund der Molekiilgeometrie der positive und der negative Ladungsschwerpunkt nicht zusammenfallen, sondem an verschiedenen Stellen im Molekul lokalisiert sind, bildet sich ein elektrischer Dipol aus (Кар. 3.2.4). Wasser ist ein Dipol – molekiil.

Die hohe Polaritat des H20-Moleklils bewirkt das ausgezeichnete Losevermogen des Was­sers fur Salze und Verbindungen aus polaren Molekiilen wie z. B. Alkohole und Zucker.

Molekule, die ein Dipolmoment besitzen, ziehen sich untereinander mit ihren entgegenge – setzt geladenen Dipolenden an und stoBen sich mit den gleichsinnig geladenen Dipolenden ab. Die auftretenden Anziehungs – bzw. AbstoBungskrafte gehoren zu den intermolekula – ren Wechselwirkimgen (Кар. 3.4).

Dass es beim Wasser auBer den Dipol-Dipol – und Dispersionswechselwirkungen noch ei – nen weiteren Тур intermolekularer Wechselwirkungen geben muss, wird bei der Betrach – tung der Schmelz – und Siedetemperaturen von WasserstoffVerbindungen der Elemente der sechsten Hauptgruppe deutlich (Abb. 6.1a).

Подпись: Abbildung 6.1 a) Siede- und Gefrierpunkte der WasserstoffVerbindungen der Elemente der VI. Hauptgruppe des PSE; b) WasserstoffbrQckenbindung bei Wassermolekulen. H-OI– H —01—

I I

H H

b)

Im Gegensatz zu den homologen WasserstoffVerbindungen H2S, H2Se und H2Te schmilzt und siedet Wasser H20 bei ungewohnlich hohen Temperaturen, wahrend es bei Zimmer – temperatur flUssig vorliegt. Ahnliche Anomalitaten ergeben sich auch fur die Siedetempe­raturen der WasserstoffVerbindungen Ammoniak NH3 und Flusssaure HF. Die auBeror – dentlich hohen Werte weisen auf ungewohnlich starke intermolekulare Krafte hin, die die Starke gewohnlicher Dipol-Dipol-Wechselwirkungen tiberschreiten. Sie sind auf das Vor – liegen von Wasserstoffbruckenbindungen zuruckzufuhren (Abb. 6.1b; s. a. Кар. 3.4).

Besonders deutlich erkennt man die Ausbildung von WasserstoffbrUcken an der Struktur des Eises (Abb. 6.2a). Jedes Sauerstoffatom eines H20-Molekiils ist tetraedrisch von vier weiteren O-Atomen benachbarter H20-Molekule umgeben (Z. 0-0-0 = 109,5°). Von jedem Sauerstoffatom fuhrt zu zwei H-Atomen eine kovalente Bindung (101 pm) und zu zwei weiteren, deutlich mehr entfemten H-Atomen (174 pm) benachbarter H20-Molekiile je eine Wasserstoffbrucke. Durch die Tetraederstruktur im Gitter ist eine Aufweitung des Bindungswinkels des Wassers von 104,5° auf 109,5° (Tetraederwinkel!) erfolgt. Wasserstoffbruckenbindungen sind genau wie die kovalenten Bindungen entlang einer Vorzugsrichtung im Raum lokalisiert, es sind ebenfalls gerichtete Bindungen. Die Anord-
nung der H20-Molekiile ergibt ein weitmaschiges Gitter mit langsgerichteten Hohlraumen von sechseckigem Querschnitt (hexagonale Tridymitstruktur, Abb. 6.2b).

Подпись: Abbildung 6.2 a) Anordnung der Wasser- molekdle im Eiskristall
Die Weitraumigkeit der Eisstruktur resultiert aus der geringen Packungsdichte der Was – sermolekule. Sie ist die Ursache fur die im Vergleich zum fliissigen Wasser (0°C!) gerin – gere Dichte des Eises. Eis kann demnach auf dem Wasser schwimmen (Eisschollen). Die­ses Verhalten ist ungewohnlich, denn die Dichte fast aller anderen Stoffe ist im festen Ag – gregatzustand groBer als im fliissigen.

b) Weitmaschiges Gitter des Eises (hexagonale Struktur)

Die Wasserstoffbriickenbindung beeinflusst nicht nur eine Reihe wichtiger physikalischer Eigenschaften des Wassers. Wasserstoffbriickenbindungen spielen auch im Hinblick auf die Haftfahigkeit von Kunststoff – oder Lackschichten auf anorganischen oder organischen Untergrundmaterialien eine wichtige Rolle.