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EPA-Modell: Molekülgeometrie einfach bestimmen
Das Elektronenpaarabstoßungsmodell, kurz EPA-Modell oder VSEPR-Modell, hilft dir, die räumliche Gestalt eines Moleküls vorherzusagen. Elektronenbereiche am Zentralatom stoßen einander ab und ordnen sich mit möglichst großem Abstand an.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Warum die Lewis-Formel nicht ausreicht
Eine Lewis-Formel zeigt, welche Atome miteinander verbunden sind und wo freie Elektronenpaare liegen. Sie ist jedoch eine zweidimensionale Darstellung. Aus ihr allein siehst du nicht unmittelbar, wie die Atome im Raum angeordnet sind.
Beim EPA-Modell betrachtest du deshalb die Valenzschale des Zentralatoms. Das Zentralatom ist das Atom, an das mehrere andere Atome gebunden sind.
Elektronendomäne
Eine Elektronendomäne ist ein räumlicher Elektronenbereich am Zentralatom. Jede Bindungsrichtung und jedes freie Elektronenpaar am Zentralatom zählt als eine Domäne.
Eine Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindung zu demselben Nachbaratom zählt beim grundlegenden Domänenzählen jeweils als eine Domäne. Du zählst also Bindungsrichtungen, nicht einzelne Bindungselektronen.
In CO₂ ist Kohlenstoff das Zentralatom. Es besitzt zwei Bindungsrichtungen zu den beiden Sauerstoffatomen. Obwohl beide Bindungen Doppelbindungen sind, zählt jede Richtung als eine Domäne. Insgesamt liegen am Kohlenstoff zwei Domänen vor.
Elektronengeometrie und Molekülgeometrie unterscheiden
Zwei Bezeichnungen beantworten unterschiedliche Fragen:
- Die Elektronengeometrie beschreibt die Anordnung aller Domänen am Zentralatom. Sie berücksichtigt bindende und freie Elektronenpaare.
- Die Molekülgeometrie beschreibt nur die räumliche Anordnung der Atome. Freie Paare beeinflussen die Form, werden bei ihrem Namen aber nicht als Atompositionen mitgezählt.
| Domänen insgesamt | Bindungspartner | freie Paare | Elektronengeometrie | Molekülgeometrie |
|---|---|---|---|---|
| 2 | 2 | 0 | linear | linear |
| 3 | 3 | 0 | trigonal-planar | trigonal-planar |
| 3 | 2 | 1 | trigonal-planar | gewinkelt |
| 4 | 4 | 0 | tetraedrisch | tetraedrisch |
| 4 | 3 | 1 | tetraedrisch | trigonal-pyramidal |
| 4 | 2 | 2 | tetraedrisch | gewinkelt |
Die idealen Winkel der Grundgeometrien betragen:
- linear: $180^\circ$
- trigonal-planar: $120^\circ$
- tetraedrisch: ungefähr $109{,}5^\circ$
Zähle für die Elektronengeometrie alle Domänen. Benenne für die Molekülgeometrie anschließend nur die sichtbaren Atompositionen.
Freie Elektronenpaare werden nur von einem Atomkern angezogen und beanspruchen deshalb mehr Raum als bindende Paare. Sie können benachbarte Bindungen zusammendrücken. Darum sind reale Bindungswinkel häufig kleiner als die Winkel der idealen Grundgeometrie.
In fünf Schritten zur Molekülgestalt
Gehe bei Molekülen mit einem geeigneten Zentralatom immer in derselben Reihenfolge vor:
- Lewis-Formel prüfen: Alle Bindungen und freien Elektronenpaare müssen sichtbar sein.
- Zentralatom bestimmen: Betrachte nur die Domänen an diesem Atom.
- Domänen zählen: Jede Bindungsrichtung zählt einmal; jedes freie Paar zählt ebenfalls einmal.
- Elektronengeometrie bestimmen: Zwei Domänen sind linear, drei trigonal-planar und vier tetraedrisch.
- Molekülgeometrie benennen: Blende freie Paare gedanklich aus und benenne die Anordnung der gebundenen Atome.
Die Kurzschreibweise $AB_xE_y$ hält das Ergebnis fest:
- $A$ bezeichnet das Zentralatom.
- $B$ bezeichnet einen gebundenen Nachbarn.
- $E$ bezeichnet ein freies Elektronenpaar am Zentralatom.
So steht $AB_3E$ für drei Bindungspartner und ein freies Paar am Zentralatom.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Bei CO₂ zählt jede Doppelbindung als Domäne. Zwei Domänen ergeben eine Elektronengeometrie. Bei NH₃ liegen insgesamt Domänen vor. Die Molekülgeometrie von NH₃ heißt .
Drei Moleküle vollständig bestimmen
Kohlenstoffdioxid CO₂
- Kohlenstoff ist das Zentralatom.
- Die zwei Doppelbindungen zeigen in zwei Bindungsrichtungen.
- Am Kohlenstoff gibt es keine freien Elektronenpaare.
- Zwei Domänen ergeben eine lineare Elektronengeometrie.
- Beide Domänen führen zu Atomen. Daher ist auch die Molekülgeometrie linear.
Der ideale O–C–O-Winkel beträgt $180^\circ$.
Ammoniak NH₃
- Stickstoff ist das Zentralatom.
- Drei N–H-Bindungen ergeben drei bindende Domänen.
- Ein freies Elektronenpaar ergänzt die vierte Domäne.
- Vier Domänen ergeben eine tetraedrische Elektronengeometrie.
- Nach dem Ausblenden des freien Paars bleiben drei Wasserstoffatome übrig. Ihre Anordnung ist trigonal-pyramidal.
Kurzschreibweise: $AB_3E$.
Wasser H₂O
- Sauerstoff ist das Zentralatom.
- Zwei O–H-Bindungen ergeben zwei bindende Domänen.
- Zwei freie Elektronenpaare ergänzen die dritte und vierte Domäne.
- Vier Domänen ergeben eine tetraedrische Elektronengeometrie.
- Für die Molekülgeometrie bleiben zwei Atompositionen sichtbar. Das Molekül ist gewinkelt.
Kurzschreibweise: $AB_2E_2$. Der H–O–H-Winkel beträgt ungefähr $104{,}5^\circ$ und ist damit kleiner als der ideale Tetraederwinkel von ungefähr $109{,}5^\circ$. Die freien Paare beanspruchen mehr Raum und drücken die Bindungen zusammen.
Was das EPA-Modell kann und wo es endet
Das EPA-Modell ist ein Modell für die räumliche Anordnung von Elektronendomänen. Es liefert eine gut begründete Grundgestalt für viele kovalente Moleküle. Es erklärt aber nicht sämtliche Bindungsenergien, Stoffeigenschaften oder Reaktionsabläufe.
Beachte diese Grenzen:
- Eine Summenformel allein reicht meist nicht. Du brauchst eine Lewis-Formel mit den freien Elektronenpaaren.
- Idealwinkel sind Ausgangswerte. Freie Paare verkleinern häufig benachbarte Bindungswinkel.
- Mehrfachbindungen zählen zwar jeweils als eine Domäne, reale Winkel können aber von den Idealwerten abweichen. Das einfache Schema sagt die genaue Größe dieser Abweichung nicht zuverlässig voraus.
- Bei größeren Molekülen untersuchst du geeignete Zentren nacheinander. Das Ergebnis ist eine Kombination lokaler Geometrien.
- Bei Elektronenmangelbindungen oder stark delokalisierten Bindungssystemen ist das einfache Bild gewöhnlicher, lokalisierter Elektronenpaare nur eingeschränkt geeignet.
Bei mesomeren Systemen steht keine einzelne Grenzstruktur für die reale Elektronenverteilung. Für die grundlegende EPA-Betrachtung zählen die Bindungsrichtungen und freien Paare am betrachteten Zentralatom. Eine Mehrfachbindung bleibt dabei eine Domäne.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- EPA-Modell
- Ausgangspunkt: vollständige Lewis-Formel
- Zählen: Bindungsrichtungen und freie Paare am Zentralatom
- Grundgeometrien: linear, trigonal-planar, tetraedrisch
- Elektronengeometrie: alle Domänen
- Molekülgeometrie: nur Atompositionen
- Einfluss freier Paare: größerer Raumbedarf und kleinere Winkel
- Grenze: Sonderbindungen und delokalisierte Systeme
Abschluss-Check
Wenn du unsicher bist, stelle dir zwei getrennte Fragen: Wie sind alle Domänen angeordnet? Und danach: Welche dieser Positionen sind tatsächlich mit Atomen besetzt?