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Polare Bindungen

Kugelwolkenmodell - Elektronenpaarbindung - Molekülstrukturen - Polare Bindungen - Elektronegativität - H-Brücken

Unpolare und polare Bindungen

Nachdem wir einige wichtige Moleküle behandelt haben, konzentrieren wir uns noch einmal auf die kovalente Bindung (Elektronenpaarbindung, Molekülbindung) selbst.

Das Chlor-Molekül

Im Chlor-Molekül ziehen die beiden Atomkerne die beiden Bindungselektronen der gemeinsamen Kugelwolke gleich stark an. Ein jedes Bindungselektron wird also - statistisch gesehen - gleich häufig in der linken Hälfte und in der rechten Hälfte der gemeinsamen Kugelwolke - anzutreffen sein. Eine solche Elektronenpaarbindung, bei der die Bindungselektronen gleichmäßig in der gemeinsamen Kugelwolke verteilt sind, bezeichnet man als unpolare Bindung.

Polar / unpolar

Die Bindung heißt "unpolar", weil es keinen Pluspol und keinen Minuspol innerhalb dieser Kugelwolke gibt. Angenommen, die beiden Bindungselektronen würden sich mit einer Wahrscheinlichkeit von 55% in der linken Hälfte der Kugelwolke aufhalten und mit einer Wahrscheinlichkeit von 45% in der rechten Hälfte, dann wäre die linke Hälfte leicht negativ geladen und die rechte entsprechend leicht positiv. Wir hätten dann zwei Pole, und die Bindung müsste als polar bezeichnet werden.

Würden wir beispielsweise das rechte Chlor-Atom durch ein Fluor-Atom ersetzen, so würden wir eine polare kovalente Bindung zwischen den beiden Atomen bekommen. Woran liegt das?

Fluor-Atome haben eine sehr große Tendenz, Bindungselektronen an sich zu ziehen. Das liegt daran, dass das Fluor-Atom sehr klein ist, schließlich hat es ja nur zwei Elektronenschalen. Die Ladung des Atomkerns kann also sehr stark wirken, und das führt dann zu einer sehr hohen Elektronegativität, womit wir auch schon bei einem sehr wichtigen Fachbegriff wären:

Elektronegativität

Unter der Elektronegativität (kurz: EN) bezeichnet man die Tendenz eines Atoms, Bindungselektronen an sich zu ziehen.

Das Element mit der größten Elektronegativität überhaupt ist das Fluor. Auf einer Skala von 0 bis 4 hat Fluor den EN-Wert 4. Das Chlor ist weniger elektronegativ, sein EN-Wert liegt bei nur 3,16.

Die Bindungselektronen des Cl-F-Moleküls halten sich also mit einer etwas größeren Wahrscheinlichkeit mehr in der Nähe des F-Atoms auf als in der Nähe des Cl-Atoms. Daher hat die Bindung im Bereich des F-Atoms einen leicht negativen Pol und in der Nähe des Cl-Atoms einen leicht positiven Pol. Die Cl-F-Bindung ist also polar.

Das Wassermolekül, Teil 2

Es wurde ja bereits erwähnt, dass wir mit dem Wassermolekül noch nicht fertig sind. Es enthält nämlich zwei dieser polaren Bindungen.

Das H2O-Molekül im Kugelwolkenmodell

Das Wasser-Molekül im Kugelwolkenmodell

Die Bindungselektronen werden vom Sauerstoff-Atom stärker angezogen als von den Wasserstoff-Atomen. Sauerstoff hat einen EN-Wert von 3,44 und Wasserstoff einen EN-Wert von nur 2,2. Das ist also ein recht großer EN-Unterschied.

Wasser-Moleküle sind Dipole

Diese beiden unpolaren O-H-Bindungen tragen dazu bei, dass das O-Atom des Wasser-Moleküls eine negative Teilladung trägt. Die beiden freien Elektronenpaare am O-Atom tragen ebenfalls dazu bei, dass das Wasser-Molekül ein sogenannter Dipol ist.

Dipol

Moleküle mit einem leicht positiven und einem leicht negativen Ende, man spricht auch von Teilladungen oder Partialladungen. Ein Molekül wird zum Dipol, wenn es polare Elektronenpaarbindungen enthält. Allerdings dürfen sich diese nicht gegenseitig in ihrer Wirkung aufheben.

asdf

Das CO2-Molekül ist kein Dipol

Das Kohlendioxid-Molekül hat zwar zwei polare Bindungen, aber wegen der nicht-gewinkelten Struktur des CO2-Moleküls heben sich die Einflüsse dieser beiden polaren Bindungen gegenseitig auf. Anschaulich kann man sich das so vorstellen: Sowohl von links wie auch von rechts wird mit der gleichen Stärke an dem C-Atom "gezogen", daher passiert nichts.

asdf

Das H2O-Molekül ist ein Dipol

Beim Wasser-Molekül haben wir auch zwei polare Bindungen, wegen der gewinkelten Struktur des Moleküls ergänzen sich die Wirkungen dieser beiden Bindungen gegenseitig, daher ist das Wasser-Molekül ein Dipol. Das O-Atom bildet den negativen Pol, und die beiden H-Atom bilden zusammen den positiven Pol des Dipols.

Ein einfacher Versuch mit Wasser

Wir brauchen für diesen Versuch irgendetwas aus Kunststoff. Ich selbst nehme immer Klarsichthüllen oder Tintenstrahldruckerfolien. Dann braucht man noch einen geeigneten Stofflappen, mit dem man die Folie oder die Hülle kräftig reibt. Immer in eine Richtung, nicht im Kreis. Der Kunststoff wird elektrisch aufgeladen. Man sieht das leicht, wenn man den Kunststoff an seinen Kopf hält, die Haare stehen dann nämlich ab.

Jetzt gehen wir zum Wasserhahn und lassen einen dünnen Strahl Wasser laufen. Dann halten wir die Folie in die Nähe des Wasserstrahls. Wenn wir alles richtig gemacht haben, verbiegt sich der Wasserstrahl, er wird von der Folie angezogen. Natürlich müssen wir aufpassen, dass die Folie das Wasser nicht berührt.

Auf dem YouTube-Video "Wie kann man einen Wasserstrahl ablenken" wird der Versuch sehr schön dargestellt.

Die Erklärung dieses Versuchs kommt auf dem nächsten Bild:

Ablenkung des Wasserstrahls

Der Kunststoffstab ist hier im Querschnitt zu sehen. Er ist positiv aufgeladen, weil vorher mit dem Stofflappen ein paar Elektronen aus dem Stab entfernt wurden.

Der Wasserstrahl ist links zu sehen, die Wasser-Moleküle sind stark vergrößert. Man sieht, dass sich die Wasser-Moleküle so drehen, dass ihr negativer Pol dem Kunststoff-Stab zugewandt ist. Wasser-Moleküle sind Dipole, haben also zwei Pole. Wenn sie in die Nähe einer positiven Ladung kommen, drehen sie sich immer so, dass sie von dieser positiven Ladung angezogen werden.

Große Frage:

Was würde passieren, wenn der Kunststoffstab nicht positiv, sondern negativ geladen wäre? Würde der Wasserstrahl dann in die andere Richtung abgelenkt?

Diese Frage ist leicht zu beantworten. Der Strahl wird auch angezogen, denn jetzt drehen sich die Wasser-Moleküle genau in die andere Richtung. Wenn der Stab oder die Folie negativ geladen ist, drehen sich alle Wasser-Moleküle mit ihrem postiven Pol in Richtung der negativen Ladung.

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