Dipole

Hallo und herzlich willkommen!

Heute geht es um das Thema Dipole. Dabei werde ich die Fragen beantworten: Was ist in der Chemie ein Dipol? Und welche Faktoren bestimmen, ob ein Dipol vorliegt? Um dieses Video zu verstehen, solltest du bereits wissen, was Elektronegativität ist und was ein Molekül ist.

Zunächst einmal zur allgemeinen Definition eines Dipols. Ein Dipol ist ein Ding, nennen wir es einmal ein Ding, das zwei räumlich getrennte Pole besitzt. Das können entweder magnetische Pole sein oder elektrische Ladungen, also positiv oder negativ, die voneinander getrennt sind.

Man kann Dipole durch das sogenannte Dipolmoment, hier mit einem Buchstaben p bezeichnet, beschreiben. Man kann p auch durch eine Gleichung beschreiben, die da lautet: p^->=q×l^->. Dabei beschreibt p^-> das Dipolmoment, q beschreibt die Stärke der Pole, zum Beispiel beim elektrischen Pol die Ladung, also wie stark die Pole geladen sind, und l^-> beschreibt den Abstand der Pole, und zwar mit Richtungsangabe. Diese Richtungsangabe wird durch den Pfeil über dem Buchstaben dargestellt, was nichts anderes bedeutet, als dass dieser Abstand eine gerichtete Größe, sprich ein Vektor ist. Und wie man sieht, ist p^->, also das Dipolmoment selbst, auch eine gerichtete Größe, auch ein Vektor. Warum das wichtig ist, werden wir gleich anhand von ein paar Beispielen sehen. Bis hier war das die Definition eines Dipols ganz allgemein.

In der Chemie ist der Begriff des Dipols aber enger gefasst. Hier bezeichnet man Dipol oder Dipomoleküle als Moleküle, die nach außen hin elektrisch neutral sind, in denen aber die Ladungsträger, damit sind die Elektronen gemeint, ungleichmäßig verteilt sind.

Zum Beispiel: das Chlorwasserstoffmolekül HCl. Dieses Molekül besteht aus einem Chloratom und einem Wasserstoffatom, welche durch ein Bindungselektronenpaar miteinander verbunden sind. Wichtig ist jetzt hier die Betrachtung der Elektronegativität dieser beiden Atome. Chlor besitzt eine hohe Elektronegativität, Wasserstoff eine niedrige. Warum soll das wichtig sein? Ganz einfach, das Chlor, das Atom mit der höheren Elektronegativität, hat aufgrund dieser Elektronegativität den Hang dazu, die Bindungselektronen zu sich heranzuziehen. Das heißt, die Elektronen liegen nun näher am Chlor als am Wasserstoff. Da Elektronen aber negativ geladen sind, befindet sich nun mehr negative Ladung auf dem Chloratom als auf dem Wasserstoffatom. Das ist hier zeichnerisch angedeutet durch das kleine δ, δ+ beim Wasserstoff und δ- beim Chlor. Das bedeutet einfach nur, dass der Wasserstoff ein bisschen positiv geladen ist und das Chlor ein bisschen negativ geladen. Und nun ist genau der Fall eingetreten, den wir als Voraussetzung für ein Dipol in der Definition genannt hatten, nämlich, dass die Ladungen ungleichmäßig im Molekül verteilt sind. Wir haben ein negatives Ende und ein positives Ende. Das ist ein Dipol.

Das nächste Beispiel ist das Wasserstoffmolekül. Es besteht aus zwei Wasserstoffatomen, die ebenfalls durch ein Bindungselektronenpaar aneinander gebunden sind. Dadurch, dass wir hier zwei gleiche Atome aneinander gebunden haben, nämlich Wasserstoff und Wasserstoff, haben wir auch keinen Unterschied in der Elektronegativität. Darum findet dann auch keine Verschiebung der Bindungselektronen auf die eine oder andere Seite statt und folglich entsteht auch kein Dipolmoment. Man sieht also, wir brauchen in einem Molekül unterschiedliche Atome mit unterschiedlichen Elektronegativitäten, damit ein Dipolmoment entstehen kann.

Das nächste Beispiel, das ich besprechen möchte, ist das Kohlendioxid CO2. Im Kohlendioxid haben wir ein Kohlenstoffatom, das an zwei Sauerstoffatome gebunden ist, und zwar mit jeweils einer Doppelbindung, sprich mit zwei Bindungselektronenpaaren. Man beachte an dieser Stelle auch die Form des Moleküls. Es ist stabförmig, das heißt, die beiden Sauerstoffatome liegen sich genau gegenüber. Da Sauerstoff eine höhere Elektronegativität hat als Kohlenstoff, bilden sich hier auch Ladungsverschiebungen aus, und zwar wandern Elektronen zum Sauerstoff nach links und zum Sauerstoff nach rechts. Dadurch entsteht dann eine Ladungsverteilung, wie sie hier im Bild dargestellt ist. Das heißt, auf den Sauerstoffatomen sitzen partielle negative Ladungen und auf den Kohlenstoffatomen partielle positive Ladungen. Dadurch bilden sich auch wieder Dipolmomente aus, und zwar zwei Dipolmomente, einer zwischen dem Kohlenstoff und dem linken Sauerstoff und einer zwischen dem Kohlenstoff und dem rechten Sauerstoff.

Nun hatten wir ja gesagt, dass Dipolmomente gerichtete Größen sind, das heißt, sie sind Vektoren. Und das wiederum heißt, dass wir sie addieren können. Addieren wir also die beiden Dipolmomente, die im CO2-Molekül vorhanden sind, zu einem Gesamtdipolmoment, dann wird sich herausstellen, dass diese beiden Dipolmomente sich gerade aufheben. Warum heben sie sich auf? Weil sie gleich groß sind, aber in entgegengesetzte Richtungen weisen. Man kann das vielleicht mit zwei Pferden vergleichen, die an ein und demselben Wagen ziehen, aber in entgegengesetzte Richtungen. Wenn die beiden Pferde gleich stark sind, wird sich der Wagen nirgendwohin bewegen.

Das nächste Beispiel ist das Wassermolekül H2O. Das Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom, an das zwei Wasserstoffatome gebunden sind. Das besondere an diesem Molekül ist, dass der Bindungswinkel zwischen diesen beiden Wasserstoffatomen 104,5° beträgt, das heißt, das Molekül ist gewinkelt. Es ist nicht gerade, wie eben gerade das CO2-Molekül. Die Ursache für diese Molekülform liegt darin, dass am Sauerstoffatom sich noch 2 sogenannte freie Elektronenpaare befinden, die hier links oben und rechts oben vom Sauerstoffatom als Striche angedeutet sind. Man kann sich das dann so vorstellen, dass diese beiden freien Elektronenpaare Platz für sich beanspruchen und dadurch die anderen Elekronenpaare, nämlich die Bindungselektronenpaare zu den Wasserstoffatomen, sozusagen zusammengedrückt werden. Dadurch entsteht dann diese Winkelform.

Nun ja. Auch im Wassermolekül haben wir es mit Atomen zu tun, die unterschiedliche Elektronegativitäten aufweisen. In diesem Falle hat der Wasserstoff niedrigere Elektronegativität und der Sauerstoff die höhere Elektronegativität, wodurch sich die Bindungselektronen zum Sauerstoff hin verlagern, und wodurch wiederum negative Ladungen auf dem Sauerstoffatom zu liegen kommen und positive Ladungen auf den Wasserstoffatomen. Auch hier bilden sich folglich wieder Dipolmomente aus, die wir in der Zeichnung mit p1^-> und p2^-> bezeichnet haben. Da Dipolmomente gerichtete Größen, also Vektoren sind, können wir sie, wenn wir sie addieren wollen, sozusagen aneinanderlegen, wie hier in einer Zeichnung angedeutet. Der Anfang des ersten Dipolmoments und das Ende des zweiten Dipolmoments markieren dann das Gesamtdipolmoment. Und wie wir sehen können, ergibt sich so für Wasser ein Dipolmoment, das heißt, Wasser ist ein polares Molekül.

Und wie man sieht, hängt das Vorhandensein eines Gesamtdipols nicht nur von der Elektronegativität der beteiligten Atome ab, sondern eben auch von der Molekülform. Das Kohlendioxid besitzt kein Gesamtdipolmoment, weil die Einzeldipole sich gegenseitig aufheben. Beim Wasser haben wir ein Gesamtdipolmoment, weil beim Addieren der Einzeldipole sich ein Gesamtdipol ergibt. Man kann also sagen: Ein Dipolmolekül liegt dann vor, wenn in einem Molekül Atome mit unterschiedlicher Elektronegativität vorhanden sind und wenn sich aufgrund der Molekülform die Einzeldipolmomente nicht aufheben.

Abschließend möchte ich noch ein kleines Experiment vorstellen, mit dem man nachweisen kann, dass Wasser tatsächlich ein Dipolmoment besitzt. Man benötigt dafür lediglich einen dünnen Wasserstrahl, der gleichmäßig herunterpieselt und irgendeinen Kunststoffgegenstand, zum Beispiel einen Kamm. Diesen Kamm reibt man dann an einem Wollpullover oder einem ähnlichen Tuch, auf dass er sich statisch auflade, in diesem Falle hingemalt als negative statische Aufladung. Diesen aufgeladenen Kamm hält man dann nah an den Wasserstrahl und wird daraufhin die befremdliche Beobachtung machen, dass der Wasserstrahl sich biegt. Was passiert dabei? Die Wassermoleküle, die ja Dipole sind, spüren die Ladung des Kammes und richten sich dementsprechend aus. Das sieht in unserem Beispiel dann so aus, dass das positiv geladene Ende, also das Wasserstoffende, zum Kamm hin ausgerichtet ist, und das negativ aufgeladene Ende, also das Sauerstoffende der Wassermoleküle, auf die andere Seite hin. Nachdem die Moleküle sich ausgerichtet haben, werden sie vom statisch aufgeladenen Kamm angezogen, weil nämlich das positiv geladene Ende der Wassermoleküle zu dieser negativen Ladung des Kammes hinstrebt. Dadurch verbiegt sich dann der Wasserstrahl.

So, wir haben heute gelernt, was ein chemischer Dipol ist, und außerdem, dass es zwei Aspekte gibt, die darüber entscheiden, ob ein Molekül ein Dipol ist oder nicht. Der erste Aspekt sind die Elektronegativitätsunterschiede zwischen den einzelnen Atomen, die das Molekül zusammensetzen. Und der zweite Aspekt ist die Molekülform, die darüber entscheidet, ob die Einzeldipolmomente sich gegenseitig aufheben oder nicht.

Danke fürs Zuschauen. Tschüss und bis zum nächsten Mal!