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Dipole
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Grundlagen zum Thema Dipole
Dipole in der Chemie
Viele Eigenschaften von Stoffen wie der Siedepunkt oder allgemein die chemische Reaktivität hängen damit zusammen, ob die Moleküle, aus denen der Stoff besteht, elektrische Dipole sind. Daher ist es wichtig, gut zu verstehen, was ein Dipol ist.
Was ist ein Dipol? – Definition
Die Bezeichnung Dipol steht allgemein für eine Anordnung mit zwei (= Vorsilbe di-) entgegengesetzten Polen. In der Chemie beschränken wir uns auf elektrische Dipole mit einem positiv geladenen und einem negativ geladenen Pol. Ein nach außen neutrales, also ungeladenes Molekül ist dann ein elektrischer Dipol, wenn die Verteilung der Elektronen auf den Bindungen zwischen den Atomen asymmetrisch, also ungleichmäßig ist. Dann kann sich ein positiver und ein negativer Pol ausbilden und entlang der Atombindung entsteht zwischen den Atomen ein gerichtetes Dipolmoment $\vec{p}$. Da es eine Richtung hat, wird das Symbol $\vec{p}$ als Vektor geschrieben.
Ein Dipol ist eine Anordnung mit zwei Polen, zum Beispiel zwei entgegengesetzten elektrischen Ladungen. In einem Molekül kann sich ein Dipol ausbilden, wenn die Elektronen entlang einer Atombindung asymmetrisch verteilt sind. Aufgrund der ungleichmäßigen Ladungsverteilung entsteht ein gerichtetes Dipolmoment $\vec{p}$.
Wann entsteht ein Dipol?
Die erste Voraussetzung dafür, dass sich zwischen Atomen in einer Atombindung ein Dipolmoment $\vec{p}$ ausbildet, ist ein Unterschied in der Elektronegativität, kurz $EN$. Die Elektronegativität beschreibt die Fähigkeit eines Elements, Bindungselektronen (also die Elektronen gemeinsamer, bindender Elektronenpaare) an sich zu ziehen. Da Atome des gleichen Elements die gleiche Elektronegativität haben, besteht nur zwischen Atomen unterschiedlicher Elemente eine Elektronegativitätsdifferenz. Diese muss groß genug sein, um eine polare Atombindung auszubilden.
Eine hohe Elektronegativität haben die Elemente Fluor
Ein Dipol entsteht entlang der Atombindung zwischen einem Element hoher Elektronegativität und einem Element geringer Elektronegativität. Das Atom des Elements mit der höheren Elektronegativität zieht die Bindungselektronen stärker an sich, dadurch entsteht eine ungleichmäßige Ladungsverteilung – die Bindung ist polar. Meist handelt es sich bei beiden Bindungspartnern um Nichtmetalle, da diese vorzugsweise Atombindungen, also kovalente Bindungen, bilden. Allerdings weist nur eine polare, kovalente Bindung ein ausreichend starkes Dipolmoment auf, um einen Dipol bilden zu können.
Die zweite Voraussetzung liegt in der Symmetrie des Moleküls. Ein Molekül ist dann ein Dipol, wenn die Symmetrie der Molekülstruktur die Dipolmomente entlang von Bindungen nicht insgesamt wieder aufhebt, also die gerichteten Dipolmomente einzelner, gleichwertiger Bindungen nicht genau entgegengesetzt zueinander verlaufen. Du findest weiter unten mit dem Molekül Kohlenstoffdioxid ein Beispiel dafür.
Darstellung eines Dipolmoleküls
Um in der Chemie Unterschiede in der Elektronegativität deutlich zu machen, schreibt man die Partialladungen $\delta^+$ und $\delta^-$ an die Atome. Atome mit hoher Elektronegativität bekommen eine negative Partialladung $\color{blue} \delta^-$, da sie die Elektronen der Bindung zu sich ziehen. Atome mit geringer Elektronegativität bekommen eine positive Partialladung $\color{red} \delta^+$, da auf ihrer Seite der Bindung eine geringere Elektronendichte herrscht.
Beispiel Chlorwasserstoff
In dem Molekül Chlorwasserstoff mit der Summenformel $\ce{HCl}$ hat Chlor eine deutlich höhere Elektronegativität als Wasserstoff. Daher bildet sich zwischen beiden Atomen ein Dipolmoment $\vec{p}$ aus:
${}^{\color{red}\delta^+} \ce{H}~ \xrightarrow{\vec{p}} ~\ce{Cl}~{}^{\color{blue}\delta^-}$
In der Chemie symbolisiert manchmal auch ein Dreieck anstatt eines Bindungsstriches die asymmetrische Verteilung der Ladungsträgerdichte:
${}^{\color{red}\delta^+} \ce{H} \blacktriangleleft \ce{Cl}~{}^{\color{blue}\delta^-}$
Das Molekül Chlorwasserstoff ist ein Dipolmolekül. Es gibt eine polare Atombindung und damit ein Dipolmoment. Als Ganzes gesehen ist Chlorwasserstoff ein polarer Stoff und Chlorwasserstoffmoleküle sind Dipole.
Beispiel Wasserstoff
Wasserstoff
Das Molekül Wasserstoff ist unpolar und somit kein Dipol.
Beispiel Kohlenstoffdioxid
Die zweite Voraussetzung dafür, dass ein Molekül ein Dipol ist, liegt in der geeigneten Molekülsymmetrie. Kohlenstoffdioxid
${}^{\color{blue}\delta^-}{\underline{\overline{\ce{O}}}}~=~{\ce{C}}~{}^{\color{red}\delta^{+}}=~{\underline{\overline{\ce{O}}}}~{}^{\color{blue}\delta^-}$
${}^{\color{blue}\delta^-}{\underline{\overline{\ce{O}}}}~ \xrightarrow{\vec{p_1}} ~\ce{C}~{}^{\color{red}\delta^{+}} \xleftarrow{\vec{p_2}} ~{\underline{\overline{\ce{O}}}}~{}^{\color{blue}\delta^-}$
$\vec{p_1} + \vec{p_2} = 0$
Daher ist das Molekül Kohlenstoffdioxid insgesamt unpolar und somit kein Dipol.
Beispiel Wasser
Bei Wasser $\left( \ce{H2O} \right)$ zeigt die Strukturformel ein gewinkeltes Molekül:
Im Wassermolekül hat der Sauerstoff eine viel höhere Elektronegativität als die beiden Wasserstoffatome. Somit werden die Bindungselektronen näher zum Sauerstoff hingezogen. Hier gibt es eine negative Partialladung und an den Wasserstoffatomen je eine positive Partialladung. Entlang der beiden
Daher ist das Wassermolekül polar und ein Dipol.
Wie man sieht, hängt das Vorhandensein eines Gesamtdipolmomentes nicht nur von der Elektronegativität der beteiligten Atome ab, sondern auch von der Molekülstruktur. So können die Moleküle eines Stoffes wie $\ce{CO2}$ zwar polare Atombindungen enthalten, die Moleküle insgesamt allerdings unpolar und damit keine Dipole sein.
Dipole – ein Experiment
Mit einem kleinen Experiment kannst du zu Hause ganz einfach eine Eigenschaft des Wassers untersuchen, die daraus folgt, dass Wassermoleküle Dipole sind: Reibe einen Kamm aus Kunststoff (oder einen Luftballon) an einem Tuch, lade ihn auf diese Weise elektrostatisch auf und halte ihn dann in die Nähe eines dünnen Wasserstrahls. Du wirst sehen, dass der Wasserstrahl zum Kamm hin abgelenkt wird, sich also verbiegt! Der Grund dafür liegt darin, dass sich die Wassermoleküle als Dipole mit den Seiten der positiven Partialladungen hin zum negativ aufgeladenen Kamm ausrichten und dann von diesem angezogen werden.
Zusammenfassung der Dipole
- Ein Dipol ist eine Anordnung mit zwei Polen. In der Chemie sind damit in der Regel die elektrischen Pole eines Dipolmoleküls gemeint.
- Damit ein Molekül ein Dipol sein kann, muss es mindestens eine polare Atombindung im Molekül geben. Durch die asymmetrische Ladungsverteilung entlang der polaren Atombindung bildet sich ein Dipolmoment.
- Da Dipolmomente gerichtet sind, können sich gleich starke Dipolmomente entlang entgegengesetzt verlaufender Bindungen gegenseitig aufheben. Ist dies in einem Molekül der Fall, wie bei $\ce{CO2}$, ist das Molekül kein Dipol.
- Die Dipolmomente mehrerer polarer Atombindungen in einem Molekül können sich auch zu einem Gesamtdipolmoment aufaddieren. Das ist im Wassermolekül $\left( \ce{H2O} \right)$ der Fall, das einen besonders starken Dipol darstellt.
- Um zu entscheiden, ob die Moleküle eines Stoffes Dipole sind, muss demnach sowohl die Elektronegativitätsdifferenz der Bindungspartner als auch die Molekülstruktur berücksichtigt werden.
Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein neues Wissen über Dipole zu testen.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Dipol
Dipole Übung
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Gib an, was ein Dipol ist.Tipps
Es gibt zwei richtige Antworten.
Dipolmoleküle bestehen nicht aus geladenen Ionen.Lösung
Ganz generell gesehen bedeutet „Dipol“, dass etwas zwei verschiedene Pole hat.
In der Chemie bezeichnen wir ein einzelnes Molekül als Dipol beziehungsweise Dipolmolekül, wenn es zwei Seiten mit unterschiedlicher elektrischer Ladung hat, also einen Pluspol und einen Minuspol.
Moleküle bestehen nicht aus geladenen Ionen. Demnach entstehen Dipole nicht aus Ionenverbindungen, sondern werden durch Atombindungen gebildet.
-
Kennzeichne die beteiligten Atome von Chlorwasserstoff $\ce{(HCl)}$.Tipps
Dem Wasserstoffatom werden zwei Eigenschaften zugeordnet.
Das elektronegativere Atom zieht die Bindungselektronen zu sich.Lösung
Ein typisches Beispiel eines Dipolmoleküls ist Chlorwasserstoff: Hier haben wir ein Wasserstoff- und ein Chloratom, die sich ein bindendes Elektronenpaar teilen.
Wenn die beiden Atome sich verbinden, geschieht Folgendes:
- Chlor ($EN \ce{(Cl)} = 3,\!16$) ist deutlich elektronegativer als Wasserstoff ($EN \ce{(H)} = 2,\!2$). Das bedeutet, es zieht die beiden Bindungselektronen stärker zu sich.
- So wird der Schwerpunkt der negativen Ladungen in Richtung des Chloratoms verschoben. Man spricht hierbei von einer Verschiebung der Ladungsträgerdichte.
- Dadurch entsteht eine negative Partialladung auf der Seite des Chloratoms. Wasserstoff hingegen weist eine positive Partialladung auf.
-
Beschreibe die Bedingungen zur Ausbildung eines Dipols.Tipps
Bei mehr als einer polaren Bindung in einem Molekül ist die Molekülstruktur entscheidend.
Durch eine polare Atombindung entsteht ein Dipolmoment.Lösung
Nicht alle Moleküle mit einer polaren Atombindung sind automatisch Dipole, nur weil sie ein Dipolmoment haben. Denn hat ein Molekül mehrere polare Bindungen, ist die Anordnung der Dipolmomente im Raum entscheidend.
Nehmen wir an, wir haben in einem Molekül zwei polare Bindungen, die sich genau gegenüberliegen: Wenn wir die Vektorpfeile addieren, also das Ende des einen an die Spitze des anderen setzen, dann löschen sie sich genau aus. Die Länge der Pfeile spielt dabei keine Rolle.
Damit ein Molekül ein Dipol ist, müssen somit zwei Bedingungen erfüllt sein:
$\to$ Es muss mindestens eine polare Atombindung (und damit ein Dipolmoment) geben.
$\to$ Vorhandene Dipolmomente dürfen sich nicht aufgrund der Molekülstruktur gegenseitig aufheben.
-
Vergleiche die Moleküle.Tipps
Das ist die räumliche Anordnung von Wasser.
Ein Wasserstrahl lässt sich mit einem elektrostatisch aufgeladenen Plastikstab anziehen.Lösung
Damit ein Molekül ein Dipol ist, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:
$\to$ Es muss mindestens eine polare Atombindung (und damit ein Dipolmoment) geben.
$\to$ Vorhandene Dipolmomente dürfen sich nicht aufgrund der Molekülstruktur gegenseitig aufheben.
Die erste Bedingung trifft sowohl für Wasser als auch für Kohlenstoffdioxid zu. Jedoch unterscheiden sich die beiden Moleküle in ihrer Molekülstruktur. Anhand dieser kann herausgefunden werden, ob es sich bei dem jeweiligen Molekül um einen Dipol handelt:
$\underline{\text{Wasser} \ce{(H2O)}}$
- Anordnung im Raum: gewinkelt
- Ladungsträgerdichte: beim Sauerstoff
- Gesamtdipolmoment: $\boldsymbol{\neq 0}$
- Dipol: ja
$\underline{\text{Kohlenstoffdioxid} \ce{(CO2)}}$
- Anordnung im Raum: lang gestreckt
- Ladungsträgerdichte: in der Mitte
- Gesamtdipolmoment: $\boldsymbol{= 0}$
- Dipol: nein
-
Entscheide, welche Moleküle Dipole darstellen.Tipps
Es gibt drei Dipolmoleküle.Lösung
Damit ein Molekül ein Dipol ist, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:
$\to$ Es muss mindestens eine polare Atombindung (und damit ein Dipolmoment) geben.
$\to$ Vorhandene Dipolmomente dürfen sich nicht aufgrund der Molekülstruktur gegenseitig aufheben.
$\underline{\text{Folgende Moleküle sind Dipole:}}$
- Fluorwasserstoff $\ce{(HF)}$
- Ammoniak $\ce{(NH3)}$
- Wasser $\ce{(H2O)}$
Kohlenstoffdioxid $\ce{(CO2)}$ ist kein Dipol, weil sich die Vektorpfeile durch die lang gestreckte Anordnung wieder löschen. Dadurch ist die Ladungsdichte in der Mitte des Moleküls.
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Beschreibe einige Eigenschaften von Wasser.Tipps
Zwischen den Wassermolekülen bilden sich Anziehungskräfte aus.
Je stärker die Anziehungskraft, desto höher der Siedepunkt.Lösung
Das Wassermolekül ist also als Ganzes gesehen polar – und damit ein Dipol. Denn:
- Es gibt zwei polare Bindungen. Sauerstoff ist elektronegativer als Wasserstoff.
- Das Molekül hat eine gewinkelte Struktur. Das liegt an den freien Elektronenpaaren, die zwar nicht an den Bindungen teilnehmen, aber trotzdem ihren Platz brauchen.
Das Ausbilden eines Dipols bestimmt einige Eigenschaften des Wassers:
- Durch unterschiedlich geladene Seiten entsteht ein Dipolmolekül.
- Dadurch bilden sich Anziehungskräfte. Man nennt sie Dipol-Dipol-Wechselwirkungen.
- Diese führen zu einem relativ hohen Siedepunkt.
- Außerdem können sich andere polare Stoffe gut in Wasser lösen.
Valenzelektronen – ihre Bedeutung für chemische Bindungen
Elektronegativität
Oktettregel
Ionenbindung – Bindung der Salze
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Bindungsarten im Vergleich
Wasserstoffbrückenbindungen
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