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10.4:

Molekülform und Polarität

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Chemistry
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Molecular Shape and Polarity

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In einer kovalenten Bindung wie der von Flusssäure werden die Elektronen in Richtung des elektronegativeren Atoms gezogen, was durch eine partielle Ladung angezeigt wird. Solche Bindungen werden polare Bindungen genannt. Die Ladungstrennung erzeugt einen Vektor, der als Bindungsdipolmoment bezeichnet wird, angezeigt durch den griechischen Buchstaben µ.Sein Wert ist das Produkt aus der Größe der Teilladungen und dem Abstand zwischen ihnen. Der Vektor zeigt vom weniger elektronegativen Atom zum elektronegativeren und gibt das Bindungsdipolmoment an. Seine Länge ist proportional zur Größe der Elektronegativitätsdifferenz zwischen den beiden Atomen.Die meisten zweiatomigen Moleküle, die Atome verschiedener Elemente enthalten, haben Dipolmomente und sind daher polare Moleküle. Elektrostatische Potenzialkarten zeigen die Bereiche hoher und niedriger Elektronendichte in der Verbindung mit roter bzw. blauer Farbe an.Die Farben dazwischen zeigen moderate Elektronendichte an. In polyatomaren Verbindungen wird das Nettodipolmoment durch die individuellen Bindungsdipolmomente und die Geometrie der Verbindung bestimmt. Betrachten Sie ein Wassermolekül mit zwei polaren Bindungen.Es hat eine gebogene Form und ist ein polares Molekül. Ein Kohlendioxidmolekül ist dagegen linear. Die beiden Kohlenstoff-Sauerstoffbindungen sind polar, aber in entgegengesetzte Richtungen orientiert, wodurch sich das Dipolmoment des jeweils anderen aufhebt und das Gesamtmolekül unpolar wird.Carbonylsulfid-Moleküle sind ebenfalls linear. Die Dipolmomente der Kohlenstoff-Sauerstoff-und Kohlenstoff-Schwefelbindungen heben sich jedoch nicht gegenseitig auf, und das Molekül hat ein Nettodipolmoment. Bortrifluorid ist eine trigonale planare Verbindung.Die Dipolmomente der Bor-Fluor-Bindungen heben sich aufgrund der Molekularsymmetrie gegenseitig auf, und die Verbindung ist unpolar. Die Dipolmomente der drei polaren Bindungen in trigonalen, pyramidenförmigen Phosphortrichloridmolekülen heben sich jedoch nicht gegenseitig auf, sodass eine polare Verbindung entsteht. Tetrafluormethan ist ein tetraedrisches Molekül, das unpolar ist, da sich die Dipolmomente der vier identischen polaren Bindungen gegenseitig aufheben.Auch Fluormethan ist ein tetraedrisches Molekül. Es besitzt jedoch ein Nettodipolmoment, da die C-F-Bindung im Vergleich zu den C-H-Bindungen ein großes Dipolmoment besitzt und die Bindungsdipolmomente sich nicht gegenseitig aufheben. In einem elektrischen Feld richten polare Moleküle das positive Ende in Richtung der negativen Ladung und das negative Ende in Richtung der positiven Ladung aus.Unpolare Moleküle bleiben dagegen von einem elektrischen Feld unbeeinflusst. Polare Lösungsmittel lösen generell polare gelöste Stoffe und unpolare Lösungsmittel lösen unpolare gelöste Stoffe, da ähnliche Molekültypen zu günstigeren Wechselwirkungen neigen. Wasser ist polar und löst leicht polare Verbindungen wie Saccharose, auch als Tafelzucker bekannt.Öl ist unpolar und bleibt mit Wasser nicht mischbar.

10.4:

Molekülform und Polarität

Dipole Moment of a Molecule

Polar covalent bonds connect two atoms with differing electronegativities, leaving one atom with a partial positive charge (δ+) and the other atom with a partial negative charge (δ), as the electrons are pulled toward the more electronegative atom. This separation of charge gives rise to a bond dipole moment. The magnitude of a bond dipole moment is represented by the Greek letter mu (µ) and is given by the formula shown here, where Q is the magnitude of the partial charges (determined by the electronegativity difference) and r is the distance between the charges: μ = Qr.

This bond moment can be represented as a vector, a quantity having both direction and magnitude. Dipole vectors are shown as arrows pointing along the bond from the less electronegative atom toward the more electronegative atom. A small plus sign is drawn on the less electronegative end to indicate the partially positive end of the bond. The length of the arrow is proportional to the magnitude of the electronegativity difference between the two atoms.

Factors Determining Polarity of a Molecule

A whole molecule may also have a separation of charge, depending on its molecular structure and the polarity of each of its bonds. If such a charge separation exists, the molecule is said to be a polar molecule; otherwise, the molecule is said to be nonpolar. The dipole moment measures the extent of net charge separation in the molecule as a whole. We determine the dipole moment by adding the bond moments in three-dimensional space, taking into account the molecular structure.

For diatomic molecules, there is only one bond, so its bond dipole moment determines the molecular polarity. Homonuclear diatomic molecules such as Br2 and N2 have no difference in electronegativity, so their dipole moment is zero. For heteronuclear molecules such as CO, there is a small dipole moment. For HF, there is a larger dipole moment because there is a larger difference in electronegativity.

When a molecule contains more than one bond, the geometry must be taken into account. If the bonds in a molecule are arranged such that their bond moments cancel (vector sum equals zero), then the molecule is nonpolar. This is the situation in CO2. Each of the bonds is polar, but the molecule as a whole is nonpolar. From the Lewis structure, and using VSEPR theory, we determine that the CO2 molecule is linear with polar C=O bonds on opposite sides of the carbon atom. The bond moments cancel because they are pointed in opposite directions. In the case of the water molecule, the Lewis structure again shows that there are two bonds to a central atom, and the electronegativity difference again shows that each of these bonds has a nonzero bond moment. In this case, however, the molecular structure is bent because of the lone pairs on O, and the two bond moments do not cancel. Therefore, water does have a net dipole moment and is a polar molecule (dipole).

In an OCS molecule, the structure is similar to CO2, but a sulfur atom  replaces one of the oxygen atoms. 

The C-O bond is considerably polar. Although C and S have very similar electronegativity values, S is slightly more electronegative than C, and so the C-S bond is just slightly polar. Because oxygen is more electronegative than sulfur, the oxygen end of the molecule is the negative end.

Chloromethane, CH3Cl, is a tetrahedral molecule with three slightly polar C-H bonds and a more polar C-Cl bond. The relative electronegativities of the bonded atoms are H < C < Cl, and so the bond moments all point toward the Cl end of the molecule and sum to yield a considerable dipole moment (the molecules are relatively polar).

For molecules of high symmetry such as BF3 (trigonal planar), CH4 (tetrahedral), PF5 (trigonal bipyramidal), and SF6 (octahedral), all the bonds are of identical polarity (same bond moment) .and they are oriented in geometries that yield nonpolar molecules (dipole moment is zero). Molecules of less geometric symmetry, however, may be polar even when all bond moments are identical. For these molecules, the directions of the equal bond moments are such that they sum to give a nonzero dipole moment and a polar molecule. Examples of such molecules include hydrogen sulfide, H2S (nonlinear), and ammonia, NH3 (trigonal pyramidal)

To summarize, to be polar, a molecule must:

  1. Contain at least one polar covalent bond.
  2. Have a molecular structure such that the sum of the vectors of each bond dipole moment does not cancel.

This text has been adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 7.6 Molecular Structure and Polarity.