Polare und unpolare Moleküle sind die beiden großen Klassen von Molekülen. Die Polarität beschreibt die Verteilung der elektrischen Ladung um ein Molekül. In einem unpolaren Molekül ist die Ladung gleichmäßig verteilt, in einem polaren Molekül dagegen ungleichmäßig. Mit anderen Worten, ein polares Molekül hat Bereiche mit Teilladungen.
Hier sind Beispiele für polare und unpolare Moleküle, ein Blick darauf, wie die Polarität mit ionischen und kovalenten Bindungen zusammenhängt, und wie man die Polarität nutzen kann, um vorherzusagen, welche Moleküle sich vermischen werden.
Polare Moleküle
Ein polares Molekül hat einen Dipol, bei dem ein Teil des Moleküls eine teilweise positive Ladung und ein Teil eine teilweise negative Ladung hat. Ein polares Molekül hat eine asymmetrische Form, ein einsames Elektronenpaar oder ein Zentralatom, das an andere Atome mit unterschiedlichen Elektronegativitätswerten gebunden ist. In der Regel enthält ein polares Molekül ionische oder polare kovalente Bindungen. Beispiele für polare Moleküle sind:
- Wasser – H2O
- Ammoniak – NH3
- Schwefeldioxid – SO2
- Schwefelwasserstoff – H2S
- Kohlenmonoxid – CO
- Ozon – O3
- Flusssäure – HF (und andere Moleküle mit einem einzigen H)
- Ethanol – C2H6O (und andere Alkohole mit einer OH-Gruppe an einem Ende)
- Sucrose – C12H22O11 (und andere Zucker mit OH-Gruppen)
Polare Moleküle sind oft hydrophil und in polaren Lösungsmitteln löslich. Polare Moleküle haben oft höhere Schmelzpunkte als unpolare Moleküle mit ähnlichen Molmassen. Dies ist auf intermolekulare Kräfte zwischen polaren Molekülen zurückzuführen, wie z. B. Wasserstoffbrückenbindungen.
Nichtpolare Moleküle
Nichtpolare Moleküle entstehen entweder, wenn die Elektronen gleichmäßig zwischen den Atomen eines Moleküls verteilt sind oder wenn die Anordnung der Elektronen in einem Molekül symmetrisch ist, so dass sich die Dipolladungen gegenseitig aufheben. Beispiele für unpolare Moleküle sind:
- Jedes der Edelgase: He, Ne, Ar, Kr, Xe (Obwohl es sich technisch gesehen um Atome und nicht um Moleküle handelt.)
- Jedes der homonuklearen zweiatomigen Elemente: H2, N2, O2, Cl2 (Dies sind wirklich unpolare Moleküle.)
- Kohlendioxid – CO2
- Bortrifluorid – BF3
- Benzol – C6H6
- Kohlenstofftetrachlorid – CCl4
- Methan – CH4
- Ethylen – C2H4
- Kohlenwasserstoffflüssigkeiten, wie Benzin und Toluol
- Die meisten organischen Moleküle, mit Ausnahmen (wie Alkohole und Zucker)
Nichtpolare Moleküle haben einige gemeinsame Eigenschaften. Sie sind in der Regel bei Raumtemperatur wasserunlöslich, hydrophob und in der Lage, andere unpolare Verbindungen aufzulösen.
Unpolare Moleküle mit polaren Bindungen
Polarität hängt von den relativen Elektronegativitätswerten zwischen zwei Atomen ab, die eine chemische Bindung eingehen. Zwei Atome mit den gleichen Elektronegativitätswerten bilden eine kovalente Bindung. Bei einer kovalenten Bindung werden die Elektronen gleichmäßig zwischen den Atomen verteilt, so dass die Bindung unpolar ist. Atome mit leicht unterschiedlichen Elektronegativitätswerten bilden polare kovalente Bindungen. Wenn die Elektronegativitätswerte zwischen den Atomen sehr unterschiedlich sind, entstehen ionische Bindungen. Ionische Bindungen sind stark polar.
Oft ist die Polarität der Bindungen die gleiche wie die Polarität des Moleküls. Es gibt aber auch unpolare Moleküle mit polaren Bindungen und polare Moleküle mit unpolaren Bindungen! Bortrifluorid ist beispielsweise ein unpolares Molekül, das polare kovalente Bindungen enthält. BF3 ist ein trigonal planares Molekül, das die elektrische Ladung gleichmäßig im Molekül verteilt, obwohl die Bindung zwischen den Bor- und Fluoratomen polar ist. Ozon ist ein Beispiel für ein polares Molekül, das aus unpolaren kovalenten Bindungen besteht. Die chemischen Bindungen zwischen den Sauerstoffmolekülen in O3 sind rein kovalent, da die Atome identische Elektronegativitätswerte haben. Das Ozonmolekül hat jedoch eine gebogene Form (wie Wasser), und seine Elektronen halten sich nicht gleichmäßig an allen drei Atomen auf. Das mittlere Atom hat eine positive elektrische Teilladung, während die beiden äußeren Atome jeweils eine negative Teilladung tragen.
Polarität und Mischbarkeit
Anhand der Polarität kann man vorhersagen, ob zwei Verbindungen mischbar sind oder nicht (sich zu einer Lösung vermischen). Als Faustregel gilt: „Gleiches löst sich gleich“. Das bedeutet, dass polare Lösungsmittel polare Stoffe auflösen, während unpolare Lösungsmittel unpolare Stoffe auflösen. Das erklärt, warum Alkohol und Wasser vollständig mischbar sind (beide polar) und warum Öl und Wasser sich nicht vermischen (unpolar mit polar).
Eine Verbindung mit einer Zwischenpolarität zwischen einem Molekül und einem anderen kann als Vermittler fungieren, um eine Chemikalie in einem Lösungsmittel aufzulösen, wenn sie normalerweise unlöslich ist. Um zum Beispiel eine ionische oder polare Verbindung in ein unpolares organisches Lösungsmittel zu mischen, kann man sie zunächst in Ethanol auflösen. Ethanol ist nur geringfügig polar, aber oft reicht es aus, um das gelöste Molekül aufzulösen. Nachdem sich das polare Molekül aufgelöst hat, mischt man die Ethanollösung in ein unpolares organisches Lösungsmittel, wie Xylol oder Benzol.
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