Polarität

Dieser Merksatz kommt dir vielleicht bekannt vor. Nun stellt sich die Frage, woher sich bestimmen lässt, ob ein Molekül polar ist oder nicht.

Die Einteilung der Polarität

Die Polarität wird mithilfe der Elektronegativität bestimmt. Dafür gelten folgende Regeln für die Differenz:

• δEN = 0,0: unpolare Bindung
• δEN < 0,4: schwach polare Bindung
• δEN < 1,7: stark polare Bindung
• δEN > 1,7: Ionenbindung

Mithilfe von polaren Bindungen wird folglich der Übergang zu einer Ionenbindung markiert. Laut diesem Prinzip ist es jedoch unmöglich, dass Bindungen unpolar sind, wenn sie nicht aus den gleichen Ionen bestehen. Im nächsten Abschnitt lernst du jedoch, dass es da besondere Ausnahmen gibt.

Polarität bestimmen bei Molekülen

Die zuvor dargestellten Regeln lassen sich leicht für die simplen Moleküle darstellen. Vor allem Moleküle, die nur aus zwei Atomen bestehen, lassen sich damit ausreichend klassifizieren. Andere Moleküle wie und müssen genauer betrachtet werden. Obwohl beide aus insgesamt drei Atomen und zwei Atomsorten bestehen, ist Wasser polar, während Kohlenstoffdioxid unpolar ist.

Die Abbildung zeigt dir nun, wie die einzelnen Atome aufgrund der Elektronegativität geladen sind. Wie du siehst, hat Sauerstoff eine höhere Elektronegativität als Wasserstoff und als Kohlenstoff und ist daher in beiden Fällen leicht negativ geladen (δ-). Wasserstoff und Kohlenstoff hingegen sind in diesem Fall dann leicht positiv geladen (δ+). Warum ist nun Wasser polar, Kohlenstoffdioxid aber nicht?

Die Polarität verdeutlicht mit den Elektronenbewegungen

Die Ursache liegt hauptsächlich in der Ausrichtung der Moleküle und dem Winkel, der zwischen den Atomen jeweils liegt. Wie du bei Wasser siehst, sind die Atome jeweils 104,45° voneinander entfernt. Stell dir nun die Kraft hinter der Elektronegativität als Bewegung vor.

In dieser Abbildung zeigen die Pfeile einmal die Bewegung, wie du sie dir vorstellen kannst. Die resultierende Bewegung daraus wäre gerade nach oben gerichtet. Solange eine solche Bewegung existiert, ist das Molekül polar.

Ganz anders sieht der Fall nun für Kohlenstoffdioxid aus. Zwar entsteht aufgrund der Unterschiede in der Elektronegativität auch eine Bewegung, diese liegen sich allerdings genau gegenüber und sind gleichstark. Die resultierende Bewegung wäre in diesem Fall 0. Daher ist das Molekül unpolar.

Polarität erklärt anhand des Dipolmoments

Eine zweite Möglichkeit der Bestimmung beschreibt das Dipolmoment.

Die Definition weist eine sehr wichtige Eigenschaft auf. Polare Moleküle erkennst du immer an ihrem Dipolmoment. In Abbildung 1 sind die räumlichen Ladungsverteilung ebenfalls eingezeichnet. Du siehst dort, dass bei Wasser klar zwei Ladungen erkennbar sind. Bei Kohlenstoffdioxid hingegen sitzt die positive Ladung in der Mitte und kann so nicht sichtbar räumlich abgegrenzt werden.

Die Abbildung 3 zeigt dir verschiedene polare Moleküle, bei denen jeweils durch entsprechende Notierung das Dipolmoment gekennzeichnet ist. So wird das erste Molekül oben links polar aufgrund seiner Bindung zwischen Kohlenstoff und Chlor (C-Cl-Bindung).

Die Angaben darunter beschreiben die Stärke des Dipolmoments µ. Dieses lässt sich berechnen mit folgender Gleichung:

Das Dipolmoment ist entsprechend das Produkt aus der Ladung (q) und dem Abstand (d) der Atomkerne. Die Einheit wird angegeben in Debye. Ein Debye entspricht . Die Einheit wird angegeben in Coulomb mal Meter. Je höher das Dipolmoment ist, desto stärker polarisiert ist ein Molekül.

Eigenschaften der Polarität

Die Polarität eines Moleküls hat verschiedene Auswirkungen auf die Reaktivität und Löslichkeit eines Stoffes. Wie das Zitat bereits zu Beginn sagte, sind polare Moleküle nur in anderen polaren Molekülen löslich. Dadurch entsteht auch die Unterscheidung zwischen hydrophilen bzw. lipophoben Molekülen und den hydrophoben bzw. lipophilen Molekülen. Fette sind entsprechend unpolar und lösen sich nicht in Wasser.

Polare Moleküle

Grundsätzlich kannst du davon ausgehen, dass alle Moleküle, die nicht aus Atomen der gleichen Art bestehen, immer mal wieder einen Dipol besitzen. Die Unterscheidung wird daher aufgrund der Beständigkeit des Dipols gemacht.

Weiterhin sind polare Moleküle hydrophil bzw. lipophob. Sie lassen sich in einem elektrischen Feld ausrichten, weshalb polare Moleküle auch leicht nachweisbar sind. Die Ausrichtung der Moleküle erfolgt aufgrund der Ladungsverteilung.

Ein weiterer Effekt der polaren Moleküle ist die gegenseitige Zusammenlagerung (Dipol-Dipol-Wechselwirkungen). Wasser ist das wichtigste polare Molekül, da es aufgrund dieser Eigenschaft in der Lage ist, Hydrathüllen zu bilden, die in Wasser gelöste Ionen vor weiteren Reaktionen schützt.

Zu den bekannten polaren Molekülen gehören:

• Wasser
• Salze
• Zucker
• Glas

Unpolare Moleküle

Unpolare Moleküle sind meist Elemente in ihrer Reinform, zum Beispiel Cl₂, H₂ und O₂. Allerdings hast du auch gesehen, dass Moleküle wie Kohlenstoffdioxid unpolar sein können, da sie keine eindeutige räumliche Trennung der Ladung besitzen. Zu diesen Stoffen gehören auch Fette (Lipide), weshalb man unpolare Moleküle häufig auch als lipophil oder hydrophob bezeichnet.

Über diese Gruppe an Molekülen kann jedoch keine allgemeinen Aussagen getroffen werden. Viele davon sind Lipiden ähnlich, die ebenfalls hauptsächlich anhand ihres Lösungsverhaltens definiert werden können.

Zu den bekanntesten unpolaren Molekülen gehören:

• Benzin
• Tetrachlormethan
• Wachs
• Fett
• Alkane
• Alkene
• Alkine

Polarität – Ionische Verbindungen

Ionische Verbindungen sind eine Sonderform der polaren Bindung, da ihre Ladungen vollständig getrennt worden sind. Dennoch sind Verbindungen dieser Art in jedem Fall sehr stark polar. Es ist nicht nur ein Dipol erkennbar. Die räumliche Trennung der Elektronen hat tatsächlich stattgefunden. Genauso kann anhand der Elektronegativität eine "Bewegung" deutlich gemacht werden.

Ein perfektes Beispiel dafür ist Natriumchlorid (NaCl). Die Abbildung zeigt dir noch einmal den Unterschied zu einer polar kovalenten Bindungen.

Dennoch kann nicht behauptet werden, dass Natriumchlorid durch die vollständige Trennung unpolar ist. Wie du sicherlich weißt, handelt es sich bei Natriumchlorid um ein Salz. Dieses löst sich sehr gut in Wasser auf. Schließlich verwendet man Kochsalz beim Kochen in heißem Wasser.

Du hast gelernt, dass Polares sich nur in Polarem löst. Daher muss es sich bei Natriumchlorid auch um ein polares Molekül handeln.