O3, auch bekannt als Ozon, ist eine sehr bekannte chemische Verbindung in unseren Chemie-Lehrbüchern. Ozon oder Trisauerstoff ist die anorganische Verbindung in der Erdatmosphäre, die uns vor den schädlichen ultravioletten Strahlen der Sonne schützt. Es gibt eine sehr berühmte Frage, ob O3 polar oder unpolar ist.
In diesem Artikel werde ich die Antwort auf diese Frage im Detail erklären und wir werden versuchen, etwas über die chemische Struktur des O3-Moleküls zu erfahren.
So, ist O3 polar oder unpolar? O3 ist ein polares Molekül und das liegt an seiner gebogenen Molekülgeometrie. Bei O3 gleichen sich die elektrischen Dipolmomente der Bindungen nicht aus, was zu einem Nettodipolmoment führt. Aus diesem Grund ist O3 (Ozon) von Natur aus polar.
Lassen Sie uns dies im Detail untersuchen.
Molekulare Struktur von O3
Lassen Sie uns zunächst die Lewis-Struktur von O3 betrachten. Sauerstoff (O) hat die Ordnungszahl 8, und in seiner Valenzschale befinden sich 6 Elektronen.
Das mittlere Sauerstoffatom teilt sich 4 Elektronen, um eine Doppelbindung und eine Einfachbindung mit den anderen beiden Sauerstoffatomen zu bilden.
Manchmal sind die Leute verwirrt, dass, wenn der mittlere Sauerstoff eine Doppelbindung und eine Einfachbindung mit den anderen beiden Sauerstoffatomen eingeht, 3 nicht gebundene Elektronen übrig bleiben sollten. In Wirklichkeit gibt es aber nur noch 2 freie Elektronen am mittleren Sauerstoffatom.
Das liegt daran, dass das O3 zwei Resonanzstrukturen hat, die immer wieder in Resonanz gehen und auf beiden Seiten abwechselnd eine Doppelbindung und eine Einfachbindung bilden. Diese beiden Strukturen sind in der obigen Abbildung dargestellt.
Das mittlere Sauerstoffatom verfügt also über ein einsames Elektronenpaar. Außerdem sorgt das einsame Elektronenpaar für eine größere Abstoßung der Bindungspaare auf beiden Seiten, so dass die Molekülgeometrie von O3 gebogen ist. Der Winkel zwischen den Bindungspaaren beträgt 116 Grad.
Aufgrund der Abstoßung zwischen dem einsamen Elektronenpaar und den Bindungspaaren ist das O3-Molekül in seiner Form gebogen, was zu einem Nettodipol führt, der dem Molekül eine Polarität verleiht.
Warum ist O2 unpolar, O3 aber polar?
Im O2-Molekül sind 2 Sauerstoffatome durch eine Doppelbindung miteinander verbunden. Jedes dieser Atome hat 2 einsame Paare aneinander, aber da es nur 2 Atome in diesem Molekül gibt, hat O2 eine lineare Form.
Außerdem sind die Atome gleich, d.h. Sauerstoffatome, daher gibt es kein Nettodipolmoment im Molekül. Daher ist das O2-Molekül unpolar.
Bei O3 liegt der Fall jedoch anders, da es drei Atome enthält, die eine gebogene Form haben. Diese gebogene Form führt zu einem elektrischen Nettodipol, der dem O3-Molekül einen polaren Charakter verleiht.
Das Ozonmolekül weist keine Symmetrie auf, sondern ist aufgrund ungleicher Einzelpaare an allen Sauerstoffatomen gebogen.
Es ist bekannt, dass die Abstoßung von Einzelpaaren größer ist als die von Bindungspaaren und von Einzelpaaren zu Bindungspaaren. Daher sind die Sauerstoffatome in Ozon der Abstoßung von Einzelpaaren ausgesetzt, was zu einer gekrümmten Form führt.
Das äußere Sauerstoffatom, das mit dem Zentralatom verbunden ist, ist teilweise negativ geladen, da es mehr Einzelpaare enthält als andere Sauerstoffatome. Während das zentrale Sauerstoffatom teilweise positiv geladen ist.
Faktoren, die die Polarität eines Moleküls bestimmen
Dipolmoment
Das polare Molekül hat immer einen Nettodipolmomentwert. Zum Beispiel beträgt das Dipolmoment von Ozon 0,53 D. Debye ist die SI-Einheit des Dipolmoments und wird mit „D“ bezeichnet.
Das Nettodipolmoment eines unpolaren Moleküls beträgt 0 D. Je größer der Wert des Nettodipolmoments, desto größer ist die Polarität des Moleküls.
Elektronegativität
Wenn in einem Molekül ein Unterschied in der Elektronegativität der beiden Atome besteht, dann ist die Bindung, die beide Atome teilen, polar. Je größer der Unterschied in der Elektronegativität der Atome, desto größer ist die Gesamtpolarität.
Betrachten wir die Struktur eines Sauerstoffmoleküls, so haben beide Sauerstoffatome die gleiche Elektronegativität. O2 ist also unpolar.
Symmetrie
Die Polarität und Unpolarität eines Moleküls lässt sich auch allein durch die Betrachtung der strukturellen Geometrie eines Moleküls bestimmen. Wenn das Molekül keine Symmetrie hat, ist es ein polares Molekül, und wenn die Form symmetrisch ist, ist es unpolar.
Betrachten wir das Kohlendioxid-Gasmolekül, so ist die C-O-Bindung aufgrund der unterschiedlichen Elektronegativität polar. Da das CO2-Molekül symmetrisch ist, sind beide C-O-Bindungen um 180 Grad gedreht, was die Polarität aufhebt. Daher ist CO2 unpolar.
Anhand dieser Faktoren können wir feststellen, ob ein Molekül polar oder unpolar ist.
Eigenschaften von Ozon
Ozon schützt die Erde vor den ultravioletten Strahlen der Sonne. Um das Atmosphärenspektrum herum bildet sich eine Schicht, die die UV-Strahlen im Bereich von 220-290 nm stark absorbiert.
Ohne diese Schicht können diese UV-Strahlen Wasserlebewesen und Pflanzen auf der Erdoberfläche und auch Menschen schädigen. Die Ozonschicht wird jedoch aufgrund der globalen Erwärmung, die von Tag zu Tag zunimmt, immer weiter abgebaut.
Ozon ist dichter als die Luft in der Umgebung. Seine Dampfdichte beträgt etwa 24.
Wenn sich Ozon verflüssigt, verwandelt es sich in eine tiefblaue Flüssigkeit.
Reines Ozon liegt in gasförmiger Form von blauer Farbe vor und hat einen stark irritierenden Geruch. Beim Erstarren liegt es als violett-schwarze Kristalle vor.
Der Siedepunkt von Ozon liegt bei etwa -112 Grad Celsius.
Ozon ist bei atmosphärischem Druck wasserlöslich. Daher ist Ozon ein gutes Oxidationsmittel mit einem Oxidationspotential von 2,07 V. Da es ein starkes Oxidationsmittel ist, wird es auch in der Wasseraufbereitung verwendet.
Ozon ist elektrophil und reagiert sehr selektiv mit anderen Elementen.
Ozon ist in Wasser weniger stabil als in Luft. In Wasser beträgt die Halbwertszeit von Ozon etwa 20 Minuten, während sie in Luft 12 Stunden beträgt.
In der Wasseraufbereitung wird es wegen seiner oxidierenden Eigenschaft zur Sterilisation von Trinkwasser verwendet.
Es wird auch in der Textilindustrie zum Bleichen verwendet.
So, ich hoffe, Sie haben verstanden, warum Ozon in der Natur polar ist und was seine Eigenschaften sind.