Kann mir jemand kurz erklären wie diese Abbildung funktioniert?
1 Antwort
Moin,
im Wassermolekül ist ein Sauerstoffatom über jeweils eine Atombindung (Elektronenpaarbindung; kovalente Bindung) mit insgesamt zwei Wasserstoffatomen verbunden.
Beide Bindungspartner (sowohl das Sauerstoffatom als auch das Wasserstoffatom) ziehen an dem bindenden Elektronenpaar. Die Stärke, mit dem der jeweilige Atomrumpf an dem bindenden Elektronenpaar zieht, ist in diesem Fall nicht gleich groß. Sauerstoff zieht in beiden Fällen stärker als die Wasserstoffatome. Deshalb verschiebt sich jeweils das Bindungselektronenpaar in Richtung des Sauerstoffatoms. Es entsteht eine polare Bindung, weil die Bindungselektronen ja negative Ladungsträger sind, so dass der Sauerstoff eine negative Teilladung (Partialladung) erhält, wenn er das bindende Elektronenpaar stärker zu sich heran zieht, da sich dann die Elektronendichte bei ihm erhöht. Das drückt man dadurch aus, dass man an das Sauerstoffatom ein kleines delta (griechischer Buchstabe) und dahinter ein Minuszeichen (für die negative Teilladung schreibt.
Umgekehrt werden die Wasserstoffatome beide positiviert (sie erhalten eine positive Teilladung; klein-delta-Plus), weil das bindende Elektronenpaar von ihnen weggezogen wird, so dass der Wasserstoffatomrumpf an Elektronen etwas verarmt.
Damit erhältst du also am Sauerstoff eine negative Teilladung, am Wasserstoff eine positive (was zu einer polaren Atombindung führt, weil das Elektronenpaar ungleichmäßig zwischen den Atomrümpfen verteilt liegt und es so zu zwei entgegengesetzt geladene Teilladungen kommt).
Hinzu kommt, dass Wassermoleküle gewinkelt gebaut sind. Die polaren Atombindungen und der gewinkelte Bau des Moleküls führen nun gemeinsam dazu, dass das Wassermolekül ein permanenter Dipol ist. Der Bereich um das Sauerstoffatom ist negativiert (mit einer negativen Teilladung ausgestattet), während der Bereich um die beiden Wasserstoffatome positiviert daherkommt.
Für Teilladungen gilt das gleiche wie für echte Ladungen (von Ionen): entgegengesetzt geladene Seiten ziehen sich an, gleich geladene Seiten stoßen sich voneinander ab.
So kommt es, dass die positivierten Wasserstoffatome zu den freien Elektronenpaaren am negativierten Sauerstoff eines anderen Wassermoleküls bindende Wechselwirkungen ausbilden. Es entstehen sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen.
Die Folge davon ist, dass sich die Wassermoleküle gegenseitig stark festhalten. Deshalb hat ein Stoff wie Wasser, mit so kleinen und leichten Molekülen, eine so hohe Schmelz- und Siedetemperatur.
Im Hexan gibt es derartige Verhältnisse nicht. Die Bindungen zwischen zwei Kohlenstoffatomen sind vollkommen unpolar, weil die beiden C-Atomrümpfe mit der gleichen Stärke an bindenden Elektronenpaaren ziehen. Das bedeutet, dass das bindende Elektronenpaar in diesem Fall genau in der Mitte zwischen den C-Atomen liegt und höchstens mal leicht hin- und herschwappt.
Die C–H-Bindung ist minimal zum C-Atom hin verschoben, weil das C-Atom ein ganz klein bisschen stärker am bindenden Elektronenpaar zieht als der Atomrumpf des Wasserstoffs. Aber diese Verlagerung ist so klein, dass sie innerhalb normaler Elektronendichteschwankungen liegt, so dass du feststellen kannst, dass auch die C–H-Bindung nahezu unpolar ist.
Weil also die Bindungen im Alkan Hexan praktisch unpolar sind, kommt es nicht zur Ausbildung von polaren Atombindungen. Die sind aber die Voraussetzung dafür, dass ein permanenter Dipol überhaupt entstehen kann. Da es das im Hexan nicht gibt, können Hexanmoleküle keine Wasserstoffbrückenbindungen zueinander ausbilden.
Was passiert, ist, dass zwischen Hexanmolekülen schwache van-der-Waals-Kräfte ausgebildet werden.
Die gibt es bei Wassermolekülen auch, aber sie sind im Vergleich mit den dort auch vorkommenden Wasserstoffbrückenbindungen so unbedeutend, dass man sie nicht weiter beachtet oder erwähnt.
Wie auch immer, van-der-Waals-Kräfte entstehen, weil es vorkommt, dass es bei den Kohlenstoffatomen im Hexan durch normale Dichteschwankungen der Elektronen passieren kann, dass zufällig die Elektronendichte auf einer Seite des Atoms kurzzeitig größer ist als auf der gegenüberliegenden Seite.
Diese Ungleichverteilung ist nicht langlebig oder gar permanent, sondern wechselt dauernd. Die Elektronen schwappen quasi hin und her.
Der Clou ist nun aber, dass ein Molekül, bei dem sich zufällig eine Ungleichverteilung der Elektronendichte ergibt, in die Nähe eines anderen Moleküls kommt. Bei diesem Nachbarn wird nun ebenfalls kurzzeitig eine ähnliche Ungleichverteilung in der Elektronendichte ausgelöst. Man sagt dazu, dass in dem nahekommenden Molekül ein kurzlebiger Dipol induziert (ausgelöst) wird.
Na ja, und dann hast du kurzzeitig eine Situation, in der sich der zufällig entstandene Dipol und der im Nachbarmolekül indizierte Dipol gegenseitig anziehen, so dass es auch hier zu einer Wechselwirkung kommt, mit der sich die Moleküle gegenseitig festhalten.
Aber weil der entstehende Dipol nur kurzlebig ist und somit auch der induzierte Dipol nicht von langer Dauer bleibt, ist die Anziehungskraft über van-der-Waals-Wechselwirkungen viel schwächer als die von Wasserstoffbrückenbindungen, die aufgrund permanenter Dipolmoleküle ausgebildet werden.
Das ist der Grund dafür, dass Wasser bei normalen Bedingungen (Raumtemperatur und normaler Luftdruck) eine Flüssigkeit ist, während Alkane mit vergleichbaren Molekülmassen (Methan) unter diesen Bedingungen gasförmig sind. Erst ab einer Kettenlänge von mindestens fünf Kohlenstoffatomen (Pentan) werden auch die Summe aller van-der-Waals-Kräfte so groß, dass auch diese Substanzen flüssig sind.
Und weil die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen in Richtung Wassermoleküle wirksam werden, kugelt sich eine Wassermenge ab und bildet Tropfen (weil sich die Wassermoleküle zum Zentrum hin ausrichten).
Das Festhalten der permanenten Dipolmoleküle im Wasser ist darüber hinaus auch der Grund dafür, warum Wasser eine sehr große Oberflächenspannung hat, die fast wie eine kleine Haut wirkt und sogar Metallbüroklammern tragen kann, wenn man diese vorsichtig auf der Wasseroberfläche absetzt.
Alles klar?
LG von der Waterkant