Eine Definition dieses wichtigen Begriffs ist nicht ganz einfach, daher versuche ich es mal mit einer Abbildung.
Sie sehen auf dem Bild eine Reihe von Wasser-Molekülen, außerdem ist ein Hydroxid-Ion OH- in dem Bild "versteckt". Die Moleküle sind nach dem Kugelwolkenmodell gezeichnet worden, allerdings sind die Kugelwolken auf der Zeichnung nicht tetraedrisch-räumlich angeordnet, sondern planar - der Übersichtlichkeit wegen.
Achten Sie nun auf die beiden grünen Pfeile - dick genug habe ich sie ja gezeichnet. Im linken Bild "gehört" das H-Atom zu dem rot gezeichneten Wasser-Molekül. Im rechten Bild dagegen "gehört" das gleiche H-Atom zu dem "darunter" liegenden blau gezeichneten Wasser-Molekül. Ohne dass sich hier irgendein Molekül oder Atom bewegt hat, hat das H-Atom quasi seine Position gewechselt. Genauer gesagt, es hat nur seine Zugehörigkeit gewechselt.
Erklären kann man diesen Wechsel der Zugehörigkeit eigentlich nur mit dem Kugelwolkenmodell (und natürlich mit dem Orbitalmodell).
Auch die anderen H-Atome können ihre Zugehörigkeit wechseln. Die freien Elektronenpaare der O-Atome spielen dabei eine entscheidende Rolle. Mal gehört ein H-Atom zu diesem Wasser-Molekül, dann wieder zu jenem, und so weiter und so fort.
Genau diese Tatsache ist auch für die hohe Ionenleitfähigkeit von Oxonium- und Hydronium-Ionen in wässriger Lösung verantwortlich (siehe Grotthuß-Mechanismus).
Diese eigenartige chemische Bindung, die ja eigentlich nur eine halbe kovalente Bindung ist, wird als Wasserstoffbrücken-Bindung oder kurz als H-Brücke bezeichnet. Die Charakterisierung als "halbe kovalente Bindung" ist gar nicht mal so schlecht. H-Brücken sind die stärksten der schwachen chemischen Bindungen.
Zur Erinnerung: Schwache chemische Bindungen sind die van-der-Waals-Kräfte, die Dipol-Dipol-Kräfte und die H-Brücken. Starke chemische Bindungen dagegen sind die Ionenbindung, die metallische Bindung und natürlich die kovalente Bindung bzw. Elektronenpaarbindung.
Damit eine H-Brücke zustande kommt, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:
- Die "Quelle" einer H-Brücke muss ein stark elektronegatives Atom sein. Das H-Atom bildet dann eine stark polare kovalente Bindung zu diesem Atom. Beim Wasser ist das O-Atom dieses stark elektronegative Atom.
- Das "Ziel" einer H-Brücke muss ebenfalls ein stark elektronegatives Atom sein, das zudem ein freies Elektronenpaar besitzt. Beim Wasser ist das wieder das O-Atom.
Als stark elektronegative Atome bei H-Brücken kommen nur N-, O- und F-Atome in Frage. Zwar hat Chlor zum Beispiel die gleiche Elektronegativität wie Fluor, ein Chlor-Atom ist aber größer als ein Fluor-Atom, daher ist die Ladungsdichte des Chlors geringer als die des Fluors. Offensichtlich spielt also nicht nur die Elektronegativität der Atome eine Rolle bei der Bildung von H-Brücken, sondern auch die Ladungsdichte.
Beispiele für mögliche H-Brücken:
