Du kennst sicherlich den typischen rot-blauen Magneten, bei dem auf der einen Seite der Plus-Pol und auf der anderen Seite der Minus-Pol eingezeichnet wird. Genau dieses Konzept von Plus- und Minus-Pol gibt es auch in der Chemie und wird Dipol genannt.
Als Dipol bezeichnet man zwei räumlich getrennte Pole innerhalb eines Moleküls oder Atoms, die jeweils ein unterschiedliches Vorzeichen haben, nämlich entweder + oder –. Diese Pole entstehen durch die Verlagerung der Elektronen in der Atomhülle. Dabei befinden sich zufällig alle Elektronen auf einer Seite des Atoms/Moleküls. Somit ist diese Seite negativ geladen. Die entgegengesetzte Seite ist positiv geladen, da sich dort eben keine Elektronen mehr befinden.
Das Dipolmolekül
Ein Dipol entsteht in einem Molekül durch verschiedene Elektronegativitäten der Atome. Je höher die Elektronegativität eines Stoffes ist, desto mehr zieht dieses Atom die Elektronen an, die es sich mit einem anderen Atom teilt. Dadurch ist dann ein Teil des Molekül negativer geladen als der Teil, der die Elektronen weniger anzieht.
Ein Dipol entsteht in einem Molekül durch die verschiedene Verteilung der Elektronen. Durch die verschiedenen Elektronegativitäten, die die einzelnen Elemente haben, werden die Elektronen zu einem der Atom hingezogen. So befinden sich an dieser Seite des Molekül alle Elektronen und diese Seite des Moleküls ist dann durch diese Elektronen negativ geladen. Die entgegengesetzte Seite hingegen besitzt keine Elektronen mehr und ist damit positiv geladen. So entsteht das Dipolmolekül.
Wenn die Elektronegativitäten gleich sind, wie beispielsweise in einem elementaren Molekül, wie Schwefel, können Dipole nur zufällig entstehen. Das heißt, wenn zufällig alle Elektronen auf einer Seite des Moleküls sind.
Die Dipolmomente der verschiedenen Bindungen im Molekül addieren sich je nach Richtung der Elektronegativität und können sich somit gegenseitig aufheben oder verstärken.
Die Elektronegativität zeigt die Fähigkeit eines Elementes/Atoms auf, in einer Bindung die Bindungselektronen an sich zu ziehen. Wie groß die Elektronegativität eines Elementes ist, kannst Du im Periodensystem herausfinden.
Im Fall eines Wassermoleküls führt die Polarisierung der kovalenten Bindung zu einem elektrischen Dipol, bei dem die Wasserstoffatome teilweise positiv und die Sauerstoffatome teilweise negativ werden, wodurch ein Dipolmolekül entsteht. Nur weil es innerhalb des H2O-Moleküls zu einem leichten Ladungstransfer kommt und damit elektrisch gesehen einen Dipol entsteht, kann Wasser Wasserstoffbrückenbindungen eingehen und mit anderen Molekülen interagieren.
Abbildung 1: Wasssermolekül mit den entsprechenden Polen
Hier kannst Du Dir eine ganz einfache Faustregel merken: Moleküle mit asymmetrischer Struktur und einer Elektronegativitätsdifferenz (ΔEN) kleiner als 1,7, aber größer als 0,5 nach Pauling verhalten sich wie dipolare Moleküle.
Das heißt, obwohl sie nach außen elektrisch neutral sind, haben sie ein (messbares) Dipolmoment. Wenn ΔEN größer als 1,7 ist, wird eine ionische Bindung angenommen. Der Grenzwert ΔEN < 1,7 ist jedoch nur ein Richtwert.
Dipol-Dipol-Wechselwirkung
Durch die Entstehung eines Dipols und somit eines positiven und eines negativen Pols kommt es wie bei Magneten auch dazu, dass diese Pole entgegengesetzte Pole anziehen. Diese Anziehung resultiert aus den Coulomb'schen Gesetzen. Durch diese Wechselwirkung kommt es zu den Dipol-Dipol-Kräften, die zwei Moleküle oder auch zwei Atome aneinander binden. Die Dipol-Dipol-Wechselwirkung zählt damit auch zu den chemischen Bindungen.
Abbildung 2: Dipol-Dipol-Kräfte Quelle: Lernort-mint.de
Hier kannst Du diese Wechselwirkung auch im Bild erkennen. A und B ziehen sich gegenseitig an, da sie unterschiedlich geladen sind. So binden sich die beiden eigentlich getrennten Moleküle und gehen eine Bindung über die Dipol-Dipol-Wechselwirkung ein.
Wenn Du mehr über die Dipol-Dipol-Wechselwirkung wissen möchtest, schau Dir doch einfach die passende Erklärung dazu an: Dipol-Dipol-Kräfte.
Dipolmoment
Nicht nur bei Molekülen kann es zu einem Dipol kommen. Auch bei einzelnen Atomen können sogenannte Dipolmomente entstehen. Diese ergeben sich, indem die Elektronen, die sich außerhalb des Atomkerns befinden, sich zu einer bestimmten Zeit zufällig alle auf einer Seite des Atomkerns befinden. Das kannst Du im unteren Bild auch gut erkennen.
Dort siehst Du, dass die Elektronen auf der linken Seite des Moleküls sind. Dadurch hat dann auch das Molekül einen positiv geladenen Pol, welcher rot gekennzeichnet ist, und einen negativ geladenen Pol, der hier in Blau dargestellt ist.
Auch diese Pole ziehen dann die jeweils entgegengesetzten Pole an und können dadurch auch bei anderen Molekülen Dipole auslösen. Dies sind dann induzierte Pole. Der zufällig entstandene Dipol wird als temporärer Dipol bezeichnet. Wenn zwei Atome mit Dipolmoment durch die verschiedene Ladung aneinander gebunden werden, nennt man diese Kraft auch Van-der-Waals-Kraft.
Abbildung 3: Temporärer und induzierter Dipol
Auch zur Van-der-Walls-Kraft kannst Du Dir eine eigene Erklärung anschauen, um diese besser zu verstehen: Van der Waals Kräfte.
Berechnung des elektrischen Dipols
Um die Größe eines Dipols berechnen zu können, benötigst du verschiedene Größen.
Zunächst die negative Ladung (-q), die sich im Abstand (l) zur positiven Ladung (q) befindet und zudem den Verbindungsvektor (), der von der negativen Ladung in Richtung der positiven Ladung zeigt.
Kurz und knapp ist ein Verbindungsvektor, ein mathematisches Objekt, das die Entfernung von zwei Punkten in der Ebene (2D) oder im Raum (3D) beschreibt.
Aus diesen Größen ergibt sich mit der folgenden Formel die Größe des Dipolmoments:
Das Dipolmoment gibt man in der Einheit Debye () an. Ein Debye entsprechen dabei 3,33564 x 10-30 Coulomb x Meter, also elektrische Ladung mal Entfernung.
Das Dipolmoment steigt also mit zunehmender Ladung q und größer werdendem Abstand der Ladungen.
Physikalischer Dipol
Ein anschauliches Beispiel für einen physikalischen Dipol ist der Stabmagnet.
In der Physik gibt es physikalische Felder, deren Quellen auch Monopole sein können. Aber bei Magnetfeldern ist dies nicht der Fall. Magnetfelder besitzen nur Dipole. Am besten kannst Du Dir das an dem Beispiel des Stabmagneten wieder ins Gedächtnis rufen. Dieser hat zwei Pole, die sich an jeweils einem Ende des Magneten befinden.
Jede elektrische Ladungsverteilung kann zu einem elektrischen Dipolmoment zugeordnet werden, wenn ihre Gesamtladung nicht vollständig symmetrisch ist. Um dies zu erreichen, sucht man nach dem elektrischen Schwerpunkt, der positiv geladen ist und den elektrischen Schwerpunkt, der negativ geladen ist. Beide Schwerpunkte kannst Du Dir dann als Dipole vorstellen. Diese Schwerpunkte sind im Grunde genommen nur die jeweiligen Enden des Stabmagneten, wenn wir zurück zu unserem Beispiel kommen.
Der Dipol wird bestimmt durch das Dipolmoment. Dieses wird beeinflusst durch den Abstand und die Stärke der Pole. Die Quelle eines Dipolfeldes ist der Dipol.
Abbildung 4: Dipolmagnete
Bei dieser Abbildung kannst Du zum Beispiel vier elektrische Schwerpunkte erkennen. Jeder Magnet hat zwei, die hier auch farblich gekennzeichnet sind.
Weitere Beispiele zum Dipol
In der Medizin treten Dipole in den Herzmuskelzellen auf: die Erregung der Herzmuskelzellen bewegt sich zu nicht erregten Zellen, also von Minus nach Plus. Dabei wird die Erregungsrichtung durch die Lage des Vektors und seiner Länge dargestellt.
So ähnlich verlaufen auch die Dipole bei laufenden Lautsprechern: Sie haben die gleiche Charakteristik, nämlich von Minus nach Plus zu verlaufen.
Dipol - Das Wichtigste
- Der Dipol hat einen negativen und einen positiven Pol innerhalb eines Atoms oder Moleküls.
- Die Pole hängen von der Elektronegativität der einzelnen Atome ab.
- Wenn zwei Dipole miteinander in Verbindung kommen, kann es zur Ausbildung eines Dipol-Dipol-Kraft oder der Van-der-Waals-Kraft, also einer chemischen Verbindung, kommen.
- Ein Beispiel für einen Dipol ist das Wassermolekül.
- Bei einem physikalischen Dipol handelt es sich im weitesten Sinne um magnetische Felder.
Nachweise
- Abbildung 4: Dipolmagnete (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:VFPt_flat_magnets_gap.svg) by Geek3 licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en)
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