Auch wenn es auf den ersten Blick nicht so wirkt: Das Hydrogenchlorid-Molekül und das Wasser-Molekül haben eine wichtige Gemeinsamkeit. Welche Gemeinsamkeit das ist und warum das Kohlenstoffdioxid-Molekül diese Gemeinsamkeit nicht aufweist, erfährst du in diesem Artikel.
Eine polare Elektronenpaarbindung ist notwendig
Du hast bereits gelernt, dass es polare und unpolare Elektronenpaarbindungen gibt (Verweis auf EN-Artikel). Betrachten wir zuerst das Hydrogenchlorid-Molekül (Abb. 1). Die Elektronen der Elektronenpaarbindung werden vom Chlor-Atom stärker angezogen als vom Wasserstoff-Atom (Abb. 1), da es eine deutlich höhere Elektronegativität als das Wasserstoff-Atom hat. Es handelt sich also um eine polare Elektronenpaarbindung. Um das in einer Valenzstrichformel zu symbolisieren, wird eine positive Partialladung mit \(\delta +\) und eine negative Partialladung mit \(\delta -\) symbolisiert (Abb. 1). Das Hydrogenchlorid-Molekül hat eine positive Partialladung am Wasserstoff-Atom und eine negative Partialladung am Chlor-Atom. Da die positive Partialladung nur am Wasserstoff-Atom auftritt, gibt es hier einen positiven Ladungsschwerpunkt. Die negative Partialladung tritt nur am Chlor-Atom auf, weshalb hier der negative Ladungsschwerpunkt ist. Da diese beiden Ladungsschwerpunkte an unterschiedlichen Stellen im Molekül sind und damit quasi zwei unterschiedlich geladene Pole entstehen, sprechen wir von einem Dipol-Molekül (Abb. 1).
Abb. 1 Animation Hydrogenchlorid-Molekül
Auf die Molekülgeometrie kommt es an
Beim Hydrogenchlorid-Molekül können wir uns das noch sehr leicht vorstellen, da es nur aus zwei Atomen besteht. Doch wie ist es bei Molekülen mit mehr als zwei Atomen? Dazu schauen wir uns das Wasser-Molekül an (Abb. 2). Im Wasser-Molekül gibt es je eine positive Partialladung an den Wasserstoff-Atomen und eine negative Partialladung am Sauerstoff-Atom (Abb. 2). Der negative Ladungsschwerpunkt ist beim Sauerstoff-Atom, da es nur hier eine negative Partialladung gibt. Der positive Ladungsschwerpunkt liegt genau in der Mitte zwischen den beiden Wasserstoff-Atomen, da beide eine positive Partialladung aufweisen.
Und jetzt wird die Molekülgeometrie wichtig. Das Wasser-Molekül ist nämlich gewinkelt. Der positive Ladungsschwerpunkt liegt in der Abbildung 2 unter dem Sauerstoff-Atom. Die Ladungsschwerpunkte fallen also nicht zusammen und es handelt sich um ein Dipol-Molekül. Um zu entscheiden, ob es sich um ein Dipol-Molekül handelt, benötigst du also auf jeden Fall eine Valenzstrichformel, in welcher der räumliche Bau des Moleküls deutlich wird. Um dir besser vorstellen zu können, wie die Ladungsschwerpunkte verteilt sind, kannst du alle Bereiche mit einer positiven Partialladung blau markieren und alle Bereiche mit einer negativen Partialladung lila (Abb. 2). Ist dann eine Seite des Moleküls blau und die andere lila markiert, gibt es zwei verschiedene Pole und es handelt sich um ein Dipol-Molekül.
Abb. 2 Animation Wasser-Molekül
Kein Dipol-Molekül trotz polarer Elektronenpaarbindungen
Schauen wir uns als weiteres Beispiel noch das Kohlenstoffdioxid-Molekül an (Abb. 3). Es gibt je eine negative Partialladung am Sauerstoff-Atom und eine positive am Kohlenstoff-Atom (Abb. 3). Der positive Ladungsschwerpunkt liegt also beim Kohlenstoff-Atom. Der negative Ladungsschwerpunkt liegt in der Mitte zwischen den beiden Sauerstoff-Atomen. Da das Molekül linear gebaut ist, ist die Mitte zwischen den beiden Sauerstoff-Atomen genau beim Kohlenstoff-Atom. Der negative Ladungsschwerpunkt also auch beim Kohlenstoff-Atom. Es handelt sich daher nicht um ein Dipol-Molekül. Zur Veranschaulichung kannst du wieder die Bereiche mit einer positiven Partialladung blau markieren und die mit einer negativen lila (Abb. 3). Du siehst, dass die lila Farbe auf zwei verschiedenen Seiten des Moleküls auftritt und diese Bereiche durch einen blauen getrennt werden. Es gibt also keine zwei Pole in diesem Molekül.
Abb. 3 Animation Kohlenstoffdioxid-Molekül
Tetraedrische Molekülgeometrie - die Bindungspartner sind entscheidend
Als letztes schauen wir uns noch tetraedrische Moleküle an. Dazu vergleichen wir das Tetrachlormethan-Molekül (Abb. 4) mit dem Trichlormethan-Molekül (Abb. 5). In beiden Molekülen gibt es negative Partialladungen an den Chlor-Atomen und eine positive am Kohlenstoff-Atom (Abb. 4 und 5). Markieren wir wieder die Bereiche mit einer positiven Partialladung blau und die mit einer negativen lila sehen wir einen entscheidenden Unterschied: Beim Trichlormethan-Molekül gibt es eine blaue und eine lila Seite im Molekül (Abb. 5), im Tetrachlormethan-Molekül liegt der lila Bereich auf zwei verschiedenen Seiten (Abb. 4). Das Trichlormethan-Molekül ist also ein Dipol-Molekül, das Tetrachlormethan-Molekül nicht.
Abb. 4 Animation Tetrachlormethan-Molekül
Abb. 5 Animation Trichlormethan-Molekül
Doch wo genau liegen jeweils die Ladungsschwerpunkte? Der positive Ladungsschwerpunkt liegt in beiden Molekülen beim Kohlenstoff-Atom. Der negative Ladungsschwerpunkt liegt in der Mitte zwischen allen negativen Partialladungen: Wenn wir das Wasserstoff-Atom im Trichlormethan-Molekül an der oberen Spitze des Tetraeders sehen, dann liegt der negative Ladungsschwerpunkt unterhalb des Kohlenstoff-Atoms zwischen den drei Chlor-Atomen. Im Tetrachlormethan-Molekül ist noch ein weiteres Chlor-Atom gebunden. Der negative Ladungsschwerpunkt liegt genau in der Mitte der vier Chlor-Atome und liegt damit auch beim Kohlenstoff-Atom. Du kannst dir allgemein merken, dass es sich bei tetraedrischen Molekülen mit polaren Elektronenpaarbindungen immer dann um ein Dipol-Molekül handelt, wenn sich die Bindungspartner am Zentral-Atom unterscheiden.