Simulation: Löslichkeit – Zwischenmolekulare Kräfte

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Löslichkeit – Zwischenmolekulare Kräfte

Manche Flüssigkeiten mischen sich in jedem Verhältnis, andere bilden zwei Schichten. Ob sich zwei Stoffe mischen, hängt von den zwischenmolekularen Wechselwirkungen ab: Stoffe, deren Moleküle ähnliche Wechselwirkungen eingehen, mischen sich. Kurz gesagt: Ähnliches löst sich in Ähnlichem. Die Simulation zeigt das an Wasser, Methanol und n-Pentan.

Ladungscodierte Elektronendichte-Oberflächen

Die Elektronen eines Moleküls befinden sich nicht an festen Orten. Die Elektronendichte gibt an, wie viel Elektronenladung sich in einem kleinen Raumbereich befindet. Sie ist in der Nähe der Atomkerne hoch und nimmt nach außen stetig ab; ein Molekül hat deshalb keine scharfe Grenze.

Die Elektronendichte-Oberfläche verbindet alle Punkte, an denen die Elektronendichte einen bestimmten, sehr kleinen Wert hat. Sie umschließt fast alle Elektronen des Moleküls und zeigt so ungefähr, wie viel Raum ein Molekül einnimmt und welche Form es hat.

Ladungscodiert heißt: Die Farbe zeigt das elektrische Potenzial an jedem Punkt der Oberfläche. Es gibt an, wie stark eine kleine positive Ladung an dieser Stelle angezogen oder abgestoßen würde.

• rot: negatives Potenzial, in der Nähe einer negativen Teilladung δ−; eine positive Ladung würde hier angezogen.
• blau: positives Potenzial, in der Nähe einer positiven Teilladung δ+; eine positive Ladung würde hier abgestoßen.
• gelbgrün: Potenzial nahezu null; hier gibt es kaum Teilladungen.

Liegen zwei Moleküle so, dass ein blauer Bereich des einen einem roten Bereich des anderen gegenübersteht, ziehen sie sich an. Die Farben zeigen also, wo zwischen Molekülen starke Anziehungskräfte wirken können.

Mit halbtransparent scheinen die Atome und Bindungen als Kugel-Stab-Modell durch die Oberfläche, mit Kugel-Stab-Modell sind nur noch Atome und Bindungen zu sehen.

Teilladungen und Dipol-Moleküle

• Sauerstoff-Atome sind viel elektronegativer als Wasserstoff- und Kohlenstoff-Atome (O 3,5, H 2,1, C 2,5). An den O–H-Bindungen entstehen deutliche Teilladungen. Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atome unterscheiden sich dagegen nur wenig: C–H-Bindungen sind fast unpolar, C–C-Bindungen unpolar.
• Ein Dipol-Molekül entsteht, wenn zwei Dinge zusammenkommen: polare Bindungen (Elektronegativitätsdifferenz) und eine Molekülgeometrie, bei der die Schwerpunkte der positiven und der negativen Teilladungen nicht zusammenfallen.
• Das Wasser-Molekül ist ein Dipol-Molekül: Die beiden O–H-Bindungen sind polar, und das Molekül ist gewinkelt gebaut. Die negative Teilladung liegt am Sauerstoff-Atom, die positiven Teilladungen an den beiden Wasserstoff-Atomen.
• Auch das Methanol-Molekül ist ein Dipol-Molekül: Die C–O- und die O–H-Bindung sind polar, und das Molekül ist am Sauerstoff-Atom gewinkelt. Es hat einen polaren Teil, die Hydroxy-Gruppe (OH-Gruppe), und einen unpolaren Teil, die Methyl-Gruppe (CH₃-Gruppe).
• Das n-Pentan-Molekül hat fast keine Teilladungen und ist unpolar; seine Oberfläche ist fast überall gelbgrün.

Wechselwirkungen

• Wasserstoffbrücke: Ein Wasserstoff-Atom, das an ein Sauerstoff-Atom gebunden ist, trägt eine deutliche positive Teilladung. Es wird von einem freien Elektronenpaar am Sauerstoff-Atom eines Nachbarmoleküls angezogen. Wasserstoffbrücken bilden sich zwischen Wasser-Molekülen, zwischen Methanol-Molekülen und zwischen Wasser- und Methanol-Molekülen.
• London-Dispersionswechselwirkung: Die Elektronen eines Moleküls sind ständig in Bewegung; für einen Augenblick ist eine Seite etwas negativer. Dieser kurzzeitige Dipol beeinflusst die Elektronen im Nachbarmolekül, und beide ziehen sich schwach an. Diese Wechselwirkung wirkt zwischen allen Molekülen; zwischen n-Pentan-Molekülen ist sie die einzige Wechselwirkung.
• Die Simulation zeigt Wasserstoffbrücken zwischen benachbarten Molekülen als dicke und London-Dispersionswechselwirkungen zwischen n-Pentan-Molekülen als dünne gestrichelte Linien.

Mischen oder nicht mischen

• Damit sich zwei Stoffe mischen, müssen sich ihre Moleküle zwischeneinander verteilen. Dabei brechen Wechselwirkungen zwischen gleichen Molekülen auf, und neue Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Molekülen entstehen. Die Stoffe mischen sich, wenn die neuen Wechselwirkungen die aufgebrochenen ersetzen können.
• Wasser und Methanol mischen sich in jedem Verhältnis. Wasserstoffbrücken zwischen Wasser-Molekülen brechen auf; an ihre Stelle treten ähnlich starke Wasserstoffbrücken zwischen Wasser- und Methanol-Molekülen. Die Moleküle verteilen sich von selbst gleichmäßig, auch ohne Schütteln; das dauert nur länger.
• Wasser und n-Pentan mischen sich nicht. Die Wasserstoffbrücken zwischen den Wasser-Molekülen sind stark. Zwischen Wasser- und n-Pentan-Molekülen wirken nur sehr schwache London-Dispersionswechselwirkungen; sie können die Wasserstoffbrücken nicht ersetzen. Die Wasser-Moleküle bleiben deshalb unter sich, die n-Pentan-Moleküle werden aus dem Wasser verdrängt. Nach dem Schütteln trennen sich die Stoffe wieder; n-Pentan hat die geringere Dichte und schwimmt oben. Stoffe und Molekülteile, die sich gut mit Wasser mischen bzw. von Wasser-Molekülen gut angezogen werden, wie Methanol oder die OH-Gruppe, heißen hydrophil; n-Pentan ist hydrophob und lipophil.
• Methanol und n-Pentan mischen sich bei 20 °C in jedem Verhältnis. Zwischen Methanol-Molekülen gibt es weniger Wasserstoffbrücken als zwischen Wasser-Molekülen, und die Methyl-Gruppe der Methanol-Moleküle wechselwirkt mit den n-Pentan-Molekülen über London-Dispersionswechselwirkungen. Die Mischung ist aber nur knapp möglich; unter etwa 14 °C bilden die beiden Stoffe zwei Schichten.

Dichte und Siedetemperatur

Stoff	Dichte bei 20 °C	Siede­temperatur
Wasser	1,00 g/cm³	100 °C
Methanol	0,79 g/cm³	65 °C
n-Pentan	0,63 g/cm³	36 °C

Die Oberflächen von Wasser und Methanol stammen aus dem ESP-Viewer. Die Oberfläche von n-Pentan ist nach demselben Verfahren berechnet (PySCF, Hartree-Fock-Verfahren, Basissatz 6-31G*, Fläche gleicher Elektronendichte bei 0,002 e·a₀⁻³, eingefärbt nach dem elektrischen Potenzial).