Warum ist Wasser ein polares Molekül?

Wasser ist ein polares Molekül, weil es zwei polare OH-Bindungen hat, deren Dipolmomente sich nicht gegenseitig aufheben. Diese Dipolmomente zeigen in Richtung Sauerstoff und addieren sich zu einem Nettodipolmoment des Moleküls.

Diese Polarität ist für viele der charakteristischen Eigenschaften von Wasser verantwortlich, einschließlich einiger seiner chemischen Reaktivität, seiner Schmelz- und Siedepunkte und seiner Fähigkeit, unter anderem als universelles Lösungsmittel für ionische und polare gelöste Stoffe zu fungieren.

Mit anderen Worten, die Polarität von Wasser ist wie die jedes anderen Moleküls eine direkte Folge der Polarität seiner Bindungen sowie der Molekülgeometrie. Das Verständnis dieser beiden Konzepte und wie sie auf das Wassermolekül zutreffen, wird eine vollständigere Vorstellung von der Polarität von Molekülen geben.

Was ist eine polare Bindung?

Eine polare Bindung ist eine Art kovalente Bindung, bei der eines der beiden Atome elektronegativer ist als das andere, sodass sich die Elektronendichte der Bindung stärker anzieht. Die Folge davon ist, dass die Elektronen nicht gleichmäßig verteilt werden. Das elektronegativere Atom erhält eine teilweise negative Ladung (gekennzeichnet durch δ-), während das andere eine teilweise positive Ladung erhält (gekennzeichnet durch δ+).

Beide Partialladungen sind gleich groß und haben entgegengesetztes Vorzeichen, wodurch polare Bindungen zu elektrischen Dipolen werden .

Ob zwei Atome eine polare kovalente Bindung bilden oder nicht, hängt von der Differenz ihrer Elektronegativitäten ab. Wenn der Unterschied zu groß ist, ist die Bindung ionisch, aber wenn er sehr klein oder null ist, ist es eine reine kovalente Bindung. Schließlich ist die Bindung polar kovalent, wenn der Unterschied dazwischen liegt. Die Grenzwerte für jeden Fall sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Dipolmoment

Polare Bindungen sind durch das Dipolmoment gekennzeichnet. Dies ist ein Vektor, der mit dem griechischen Buchstaben μ (mu) bezeichnet wird und entlang der Bindung in Richtung des elektronegativeren Atoms zeigt. Die Größe dieses Vektors ergibt sich aus dem Produkt der Größe der getrennten Ladung, die proportional zur Differenz der Elektronegativitäten ist, und dem Abstand zwischen den beiden Ladungen, dh der Bindungslänge.

Das Dipolmoment ist wesentlich, um zu verstehen, warum Wasser polar ist, da sich die Gesamtpolarität eines Moleküls aus der Vektorsumme aller seiner Dipolmomente ergibt.

Molekulargeometrie

Die Geometrie eines Moleküls gibt an, wie seine Atome um ein Zentralatom herum verteilt sind. Beispielsweise ist das Zentralatom in Wasser Sauerstoff, sodass die Molekülgeometrie angibt, wie die beiden Wasserstoffatome um den Sauerstoff herum orientiert sind.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Molekülgeometrie zu bestimmen. Am einfachsten ist dies durch die Theorie der Abstoßung von Valenzelektronenpaaren, die besagt, dass die Elektronenpaare, die das Zentralatom umgeben (ob Bindungs- oder Einzelelektronenpaare), so orientiert werden, dass sie so weit wie möglich voneinander entfernt sind.

Nachdem bestimmt wurde, wie die Elektronen um das Zentralatom verteilt sind, wird die Geometrie bestimmt, indem man sich anschaut, wohin die Bindungen zeigen (ohne Berücksichtigung der einsamen Elektronenpaare).

Nachdem wir diese beiden Konzepte verstanden haben, wollen wir nun das Wassermolekül, seine Bindungen und seine Geometrie analysieren:

Die OH-Bindungen in Wasser sind polare Bindungen.

Wasser hat zwei Wasserstoffatome, die an ein Sauerstoffatom gebunden sind. Die Elektronegativitätsdifferenz zwischen Sauerstoff und Wasserstoff beträgt 1,24, was es zu einer ziemlich polaren Bindung macht (siehe Tabelle oben). Die obige Abbildung veranschaulicht das Dipolmoment dieser Bindung. Beachten Sie, dass der Vektor zur leichteren Betrachtung oft seitlich neben dem Link gezeichnet wird; Tatsächlich fällt sie jedoch mit der OH-Bindung zusammen und zeigt vom Wasserstoffkern zum Sauerstoffkern.

Das Wassermolekül hat eine Winkelgeometrie

^{Im Wassermolekül ist das Sauerstoffatom sp 3} -hybridisiert und von vier Elektronenpaaren umgeben (den zwei Wasserstoffbindungspaaren und den zwei freien Paaren). Die Valenzelektronenpaar-Abstoßungstheorie besagt, dass vier Elektronenpaare auf die Enden eines regelmäßigen Tetraeders zeigen. Mit anderen Worten, die beiden Wasserstoffatome zeigen auf zwei der vier Ecken eines Tetraeders, wodurch das Wassermolekül ein eckiges Molekül wird.

Der Winkel zwischen den beiden Bindungen sollte ein Tetraederwinkel von 109,5º sein, aber die beiden einsamen Elektronenpaare stoßen die Bindungselektronen stärker ab, wodurch der Winkel leicht verengt wird. Das Ergebnis ist, dass die beiden OH-Bindungen in Wasser einen Winkel von 104,45º bilden, wie in der obigen Abbildung gezeigt.

Polare Bindungen + Winkelgeometrie = polares Molekül

Es ist wichtig zu erkennen, dass das Vorhandensein polarer Bindungen nicht sicherstellt, dass ein Molekül polar ist. Tatsächlich hat Kohlendioxid zwei polare Bindungen, aber ihre Dipolmomente heben sich gegenseitig auf. Aus diesem Grund ist das Molekül unpolar.

Beim Wassermolekül passiert das nicht, da es nicht linear, sondern eckig ist. Nachdem wir nun ein klares Bild von den Eigenschaften des Wassermoleküls haben, können wir mit der Bestimmung des Netto-Dipolmoments des Moleküls fortfahren. Dazu werden beide Dipolmomente auf das Molekül gezeichnet und dann die Vektoraddition durchgeführt:

Die Addition kann grafisch mit der Parallelogrammmethode durchgeführt werden, wie auf der rechten Seite der vorherigen Abbildung gezeigt. Wie zu sehen ist, erzeugen beide Dipolmomente ein Nettodipolmoment, das auf den Sauerstoff zeigt, der durch das Zentrum des Moleküls hindurchtritt.

Letztendlich ist dieses Netto-Dipolmoment der Grund, warum Wasser ein polares Molekül ist.