Wasserstoffbrücken der Hydride und Siedepunkte
Welche Nichtmetallhydride und Oxosäuren Wasserstoffbrücken bilden und warum dadurch Siedepunkte und Viskosität steigen.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Siedepunktanomalie bezeichnet die im Verhältnis zur Molekülmasse ungewöhnlich hohen Schmelz- und Siedepunkte von \(\ce{HF}\), \(\ce{NH3}\) und \(\ce{H2O}\), verursacht durch starke Wasserstoffbrücken.
- Starke intermolekulare Brücken bilden nur Moleküle mit H an F, O oder N, also HF, \(\ce{NH3}\), \(\ce{H2O}\) sowie flüssige \(\ce{H2SO4}\) und \(\ce{H3PO4}\).
- \(\ce{H2S}\), \(\ce{AsH3}\) und HI bilden nur sehr schwache Brücken, \(\ce{CH4}\), die übrigen Hydride der 4. Hauptgruppe und Alkane keine.
- Ein Wassermolekül ist an bis zu vier Brücken gleichzeitig beteiligt, HF bildet nur Ketten. Darum siedet Wasser höher als HF.
- Siedepunktreihe: \(\ce{CH4} < \ce{H2S} < \ce{NH3} < \ce{H2O}\). Außerdem siedet \(\ce{NH3}\) höher als \(\ce{PH3}\).
- Wasserstoffbrücken erhöhen Siedepunkt und Viskosität. Alkohole sieden höher als Alkane gleicher C-Zahl.
Worum es geht
Wasser siedet bei 100 °C. Das fast doppelt so schwere \(\ce{H2S}\) siedet dagegen schon bei −60 °C. Den Unterschied machen Wasserstoffbrücken, die nur bestimmte Hydride und Säuren bilden. Wer sie vorhersagen kann, versteht Siedepunkte und Viskosität von Lösungsmitteln, Säuren und Hilfsstoffen wie Glycerol.
Hydride und Oxosäuren
Ob ein Hydrid starke Wasserstoffbrücken bildet, entscheidet das Atom, an dem der Wasserstoff sitzt. Es muss klein und stark elektronegativ sein. Außerdem braucht der Partner ein freies Elektronenpaar als Akzeptor. Das leisten nur Fluor, Sauerstoff und Stickstoff. Bei allen anderen Nichtmetallen bleibt die Brücke schwach oder fehlt ganz.
Starke, schwache und fehlende Brücken
Flüssiger Fluorwasserstoff, flüssiges Ammoniak und flüssiges Wasser bilden starke intermolekulare Wasserstoffbrücken. Beim HF sind die Moleküle schon bei Normaltemperatur über Brücken verknüpft. Seine H–F-Bindung ist die polarste aller Hydride.
Schwefelwasserstoff, Arsan (\(\ce{AsH3}\)) und Iodwasserstoff bilden nur sehr schwache Brücken. Schwefel (EN 2,6), Arsen (EN 2,2) und Iod (EN 2,7) unterscheiden sich kaum vom Wasserstoff (EN 2,2). Die X–H-Bindung ist daher fast unpolar. Zudem sind diese Atome groß und ihre freien Elektronenpaare diffus, also schlechte Akzeptoren. Die Moleküle halten vor allem über Dipol- und Dispersionskräfte zusammen.
Methan und die übrigen Hydride der 4. Hauptgruppe bilden gar keine Wasserstoffbrücken. Ihre Bindungen sind kaum polar, und das Zentralatom hat kein freies Elektronenpaar. Dasselbe gilt für Alkane wie n-Pentan und n-Hexan. Zwischen ihnen wirken nur Dispersionskräfte.
| Stoff | H gebunden an | Wasserstoffbrücken |
|---|---|---|
| \(\ce{HF}\), \(\ce{H2O}\), \(\ce{NH3}\) | F, O, N | stark |
| \(\ce{H2SO4}\), \(\ce{H3PO4}\) | O (O–H-Gruppen) | stark |
| \(\ce{H2S}\), \(\ce{AsH3}\), \(\ce{HI}\) | S, As, I | sehr schwach |
| \(\ce{CH4}\), \(\ce{SiH4}\), \(\ce{GeH4}\), \(\ce{SnH4}\) | C, Si, Ge, Sn | keine |
| n-Pentan, n-Hexan | C | keine |
Wird im Examen gerne gefragt: Starke intermolekulare Brücken bilden nur HF, \(\ce{NH3}\) und \(\ce{H2O}\) sowie die flüssigen Oxosäuren \(\ce{H2SO4}\) und \(\ce{H3PO4}\). Achte darauf, dass \(\ce{H2S}\), \(\ce{AsH3}\) und HI nur sehr schwache Brücken bilden und \(\ce{CH4}\) samt den übrigen Hydriden der 4. Hauptgruppe gar keine.
Oxosäuren
Schwefelsäure und Phosphorsäure sind keine Hydride, verhalten sich aber ähnlich. Ihre O–H-Gruppen sind Donoren. Die Sauerstoffatome der S=O- bzw. P=O-Gruppen und der OH-Gruppen sind Akzeptoren. Jedes Molekül besitzt mehrere Donoren und Akzeptoren und knüpft so ein dichtes Netz. Deshalb bilden flüssige \(\ce{H2SO4}\) und flüssige \(\ce{H3PO4}\) starke intermolekulare Wasserstoffbrücken. Auch in wässriger Schwefelsäure treten Brücken auf, etwa zwischen Wasser, \(\ce{H3O+}\) und \(\ce{HSO4-}\).
Wie viele Brücken ein Molekül bildet
Die Zahl der Brücken pro Molekül hängt vom Verhältnis der H-Atome zu den freien Elektronenpaaren ab. Jede Brücke braucht ein H-Atom auf der einen und ein Elektronenpaar auf der anderen Seite. HF besitzt drei freie Elektronenpaare, aber nur ein H-Atom. Jedes Molekül kann also nur einmal als Donor wirken. So entstehen Zickzackketten statt eines Netzes.
Wasser ist ideal gebaut: Es hat zwei H-Atome und zwei freie Elektronenpaare. Ein Wassermolekül kann deshalb gleichzeitig an bis zu vier Brücken beteiligt sein. Es gibt zwei ab und nimmt zwei auf. Die Partner sitzen tetraedrisch um das Molekül, und es entsteht ein räumliches Netzwerk.
Beim Ammoniak ist es umgekehrt wie beim HF. Drei H-Atomen steht nur ein freies Elektronenpaar gegenüber. Die Zahl der Akzeptorstellen begrenzt die Brücken. Zudem ist Stickstoff weniger elektronegativ als Sauerstoff, die einzelne Brücke also schwächer.
Siedepunkte und Viskosität
Wasserstoffbrücken halten Moleküle zusätzlich zusammen. Beim Sieden müssen sie aufgebrochen werden. Intermolekulare Brücken erhöhen daher den Siedepunkt. Sie bremsen außerdem das Aneinandervorbeigleiten der Moleküle und erhöhen so die Viskosität. Glycerol mit drei OH-Gruppen ist zähflüssig, konzentrierte Schwefelsäure ölig.
Die Siedepunktanomalie
Innerhalb einer Gruppe steigen die Siedepunkte normalerweise mit der Molekülmasse. Größere Moleküle sind stärker polarisierbar und ziehen sich über Dispersionskräfte stärker an. Die Hydride der 4. Hauptgruppe folgen diesem Trend genau: \(\ce{CH4}\) siedet bei −162 °C, \(\ce{SiH4}\) bei −112 °C, \(\ce{GeH4}\) bei −88 °C und \(\ce{SnH4}\) bei −52 °C. Auch in der 5. bis 7. Hauptgruppe ordnen sich die schweren Hydride so ein. Nur \(\ce{NH3}\), \(\ce{H2O}\) und \(\ce{HF}\) liegen weit darüber.
Die Hydride der 2. Periode \(\ce{HF}\), \(\ce{NH3}\) und \(\ce{H2O}\) haben im Verhältnis zu ihrer Molekülmasse ungewöhnlich hohe Schmelz- und Siedepunkte. Ursache sind ihre starken intermolekularen Wasserstoffbrücken.
Die Anomalie betrifft auch die Schmelzpunkte. Wasser schmilzt bei 0 °C, \(\ce{H2S}\) schon bei −86 °C. Methan zeigt keine Anomalie, weil es keine Brücken bildet. Wie stark die Brücken wirken, zeigt der Vergleich ähnlich schwerer Moleküle:
| Hydrid | Molmasse (g/mol) | Siedepunkt |
|---|---|---|
| \(\ce{CH4}\) | 16 | −162 °C |
| \(\ce{NH3}\) | 17 | −33 °C |
| \(\ce{H2O}\) | 18 | 100 °C |
| \(\ce{HF}\) | 20 | 20 °C |
| \(\ce{PH3}\) | 34 | −88 °C |
| \(\ce{H2S}\) | 34 | −60 °C |
Siedepunktreihen
Die Reihe \(\ce{CH4} < \ce{H2S} < \ce{NH3} < \ce{H2O}\) solltest du sicher begründen können. Methan hat nur Dispersionskräfte. \(\ce{H2S}\) ist polar und schwerer, bildet aber nur sehr schwache Brücken. \(\ce{NH3}\) bildet echte Brücken, Wasser die meisten pro Molekül. Ebenso siedet \(\ce{NH3}\) höher als \(\ce{PH3}\), obwohl Phosphan doppelt so schwer ist.
Die einzelne F–H···F-Brücke ist stärker als eine O–H···O-Brücke. Trotzdem siedet Wasser 80 °C höher, weil jedes Wassermolekül doppelt so viele Brücken knüpft wie ein HF-Molekül.
Alkohole im Vergleich zu Alkanen
Dasselbe Prinzip gilt für organische Moleküle. Die OH-Gruppe eines Alkohols ist Donor und Akzeptor zugleich. Alkane gleicher C-Zahl können keine Brücken bilden. Deshalb sieden Alkohole deutlich höher: Ethanol bei 78 °C, Ethan bei −89 °C. 1-Pentanol siedet bei 138 °C, n-Pentan bei 36 °C. Weitere organische Donoren behandelt die Einheit zu Wasserstoffbrücken in organischen Verbindungen.
Quiz
Aussage 1
Flüssige Phosphorsäure bildet starke intermolekulare Wasserstoffbrücken.
\(\ce{H3PO4}\) besitzt mehrere O–H-Donoren und Sauerstoffatome als Akzeptoren und knüpft so ein dichtes Brückennetz.
Aussage 2
Ammoniak siedet höher als Phosphan, obwohl \(\ce{PH3}\) die größere Molekülmasse hat.
\(\ce{NH3}\) (−33 °C) bildet Wasserstoffbrücken, \(\ce{PH3}\) (−88 °C) praktisch nicht.
Aussage 3
Monosilan (\(\ce{SiH4}\)) bildet ähnlich wie \(\ce{H2S}\) schwache Wasserstoffbrücken.
Die Hydride der 4. Hauptgruppe bilden gar keine Wasserstoffbrücken, da ihre Bindungen kaum polar sind und das Zentralatom kein freies Elektronenpaar hat.
Aussage 4
Ein einzelnes Wassermolekül kann gleichzeitig an bis zu vier Wasserstoffbrücken beteiligt sein.
Mit zwei H-Atomen und zwei freien Elektronenpaaren gibt es zwei Brücken ab und nimmt zwei auf, tetraedrisch angeordnet.
Aussage 5
Flüssiger Iodwasserstoff hält vor allem über starke Wasserstoffbrücken zusammen.
Iod ist kaum elektronegativer als Wasserstoff und ein großes Atom. HI bildet daher nur sehr schwache Brücken und hält vor allem über Dipol- und Dispersionskräfte zusammen.
Aussage 6
In der Reihe \(\ce{CH4}\), \(\ce{H2S}\), \(\ce{NH3}\), \(\ce{H2O}\) steigen die Siedepunkte von links nach rechts an.
Die Werte liegen bei −162 °C, −60 °C, −33 °C und 100 °C, weil die Wasserstoffbrücken von links nach rechts zunehmen.
Aussage 7
Fluorwasserstoff siedet höher als Wasser, weil die F–H···F-Brücke die stärkste Wasserstoffbrücke ist.
Die einzelne HF-Brücke ist zwar stärker, doch Wasser bildet pro Molekül doppelt so viele Brücken. Wasser siedet bei 100 °C, HF bei 20 °C.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.