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.

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 $\left( \ce{F} \right)$, Chlor $\left( \ce{Cl} \right)$, Sauerstoff $\left( \ce{O} \right)$ und Stickstoff $\left( \ce{N} \right)$. Elemente wie Wasserstoff $\left( \ce{H} \right)$ und Kohlenstoff $\left( \ce{C} \right)$ haben dagegen eine vergleichsweise geringe Elektronegativität.

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 $\left( \ce{H2} \right)$ mit der Strukturformel $\ce{H-H}$ setzt sich aus je zwei Wasserstoffatomen zusammen, die durch ein Bindungselektronenpaar kovalent gebunden sind. Da hier zwei gleiche Atome vorliegen, gibt es keinen Unterschied in der Elektronegativität, d. h. die Elektronegativitätsdifferenz ist gleich null.
Es gibt demnach keine Verschiebung der Bindungselektronen auf die eine oder andere Seite und folglich entsteht auch kein Dipolmoment. 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 $\left( \ce{CO2} \right)$ mit der Strukturformel $\underline{\overline{\ce{O}}}=\ce{C}=\underline{\overline{\ce{O}}}$ ist ein lineares Molekül, also langgestreckt wie ein Stab.
Die Sauerstoffatome haben eine deutlich höhere Elektronegativität als das Kohlenstoffatom. Wegen der großen Elektronegativitätsdifferenz zwischen den Atomen $\ce{O}$ und $\ce{C}$ sind also beide Doppelbindungen polar.
Da das Kohlenstoffatom allerdings genau in der Mitte liegt und das Molekül linear ist, heben sich die beiden entgegengesetzt gerichteten Dipolmomente und damit die polarisierende Wirkung gegenseitig auf. Das können wir in den folgenden Darstellungen erkennen:

${}^{\color{blue}\delta^-}{\underline{\overline{\ce{O}}}}~=~{\ce{C}}~{}^{\color{red}\delta^{+}}=~{\underline{\overline{\ce{O}}}}~{}^{\color{blue}\delta^-}$

${}^{\color{blue}\delta^-}{\underline{\overline{\ce{O}}}}~ \xrightarrow{\vec{p_1}} ~\ce{C}~{}^{\color{red}\delta^{+}} \xleftarrow{\vec{p_2}} ~{\underline{\overline{\ce{O}}}}~{}^{\color{blue}\delta^-}$

$\vec{p_1} + \vec{p_2} = 0$

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 $\ce{OH}$-Bindungen treten Dipolmomente auf (eingezeichnet als rote Pfeile).
Da die Molekülstruktur – anders als beim $\ce{CO2}$-Molekül – nicht linear, sondern gewinkelt ist, heben sich die Dipolmomente im Wassermolekül nicht genau auf, sondern bilden einen Summenvektor, der ungleich null ist. Es bleibt ein resultierendes Gesamtdipolmoment:

$\vec{p} = \vec{p_1} + \vec{p_2} \neq 0$

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.

Ausblick – das lernst du nach Dipole

Vertiefe dein Verständnis von Dipolen und sieh dir die Van-der-Waals-Kräfte und weitere intermolekulare Kräfte an. Entdecke die Bedeutung verschiedener Anordnungen für das Zusammenspiel der Kräfte und Wechselwirkungen auf atomarer und molekularer Ebene!

Häufig gestellte Fragen zum Thema Dipole