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Molekülgeometrie mit dem EPA-Modell bestimmen
Die Molekülgeometrie beschreibt, wie die Atome eines Moleküls räumlich angeordnet sind. Mit dem EPA-Modell leitest du diese Gestalt aus der Valenzstrichformel ab: 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 Valenzstrichformel nicht genügt
Eine Valenzstrichformel zeigt, welche Atome miteinander verbunden sind und wo freie Elektronenpaare liegen. Sie ist aber eine zweidimensionale Zeichnung. Moleküle sind räumlich: Drei Atome können zum Beispiel auf einer Geraden liegen oder einen Winkel bilden.
Molekülgeometrie
Die Molekülgeometrie ist die räumliche Anordnung der gebundenen Atome eines Moleküls. Freie Elektronenpaare sind keine Atome, beeinflussen diese Anordnung aber.
Die räumliche Gestalt ist wichtig, weil sie unter anderem Polarität, Reaktivität und Stoffeigenschaften beeinflussen kann. Sie allein entscheidet jedoch nicht über diese Eigenschaften; zum Beispiel muss man für die Polarität zusätzlich die Bindungspolarität betrachten.
So funktioniert das EPA-Modell
EPA steht für Elektronenpaar-Abstoßungs-Modell; VSEPR ist die englische Abkürzung. Das Modell betrachtet Elektronenbereiche in der Valenzschale des Zentralatoms. Weil sie negativ geladen sind, stoßen sie einander ab. Eine Anordnung mit möglichst großem gegenseitigem Abstand ist energetisch günstig.
Elektronenbereich
Ein Elektronenbereich am Zentralatom ist entweder eine Bindung zu einem anderen Atom oder ein freies Elektronenpaar. Eine Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindung zählt für die Grundgeometrie jeweils als ein Bindungsbereich.
Gehe in vier Schritten vor:
- Zeichne die Valenzstrichformel mit allen freien Elektronenpaaren.
- Bestimme das Zentralatom und zähle dort die Bindungsbereiche und freien Elektronenpaare.
- Addiere beide Zahlen und ordne die Elektronengeometrie zu.
- Denke für die Benennung der Molekülgeometrie die freien Elektronenpaare weg. Ihre abstoßende Wirkung bleibt trotzdem erhalten.
Gezählt wird am Zentralatom, nicht im gesamten Molekül. Mehrfachbindungen zählen bei der Grundform als ein Bereich.
Welche Grundformen entstehen
Für zwei bis vier Elektronenbereiche gelten diese Idealformen:
| Zahl der Elektronenbereiche | Elektronengeometrie | idealer Winkel |
|---|---|---|
| 2 | linear | $180^\circ$ |
| 3 | trigonal-planar | $120^\circ$ |
| 4 | tetraedrisch | $109{,}5^\circ$ |
Trigonal-planar bedeutet: Drei Bereiche liegen in einer Ebene an den Ecken eines Dreiecks. Tetraedrisch bedeutet: Vier Bereiche zeigen zu den Ecken eines Tetraeders, also eines räumlichen Körpers mit vier dreieckigen Flächen.
CO₂: Am Kohlenstoffatom liegen zwei Bindungsbereiche und kein freies Elektronenpaar. Zwei Bereiche erreichen den größten Abstand in entgegengesetzter Richtung. Elektronen- und Molekülgeometrie sind linear; der Winkel beträgt $180^\circ$.
CH₄: Am Kohlenstoffatom liegen vier Bindungsbereiche und kein freies Elektronenpaar. Die Bereiche ordnen sich tetraedrisch an. Auch die Molekülgeometrie ist tetraedrisch; der ideale Winkel beträgt $109{,}5^\circ$.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Drei Elektronenbereiche ergeben eine Elektronengeometrie. Vier Bereiche ergeben eine Elektronengeometrie. Bei CO₂ zählt jede Doppelbindung als .
Wie freie Elektronenpaare die Form verändern
Die Elektronengeometrie berücksichtigt alle Bindungsbereiche und freien Elektronenpaare. Die Molekülgeometrie beschreibt dagegen nur die Positionen der gebundenen Atome. Deshalb können beide Namen verschieden sein.
| Bindungsbereiche | freie Paare | Elektronengeometrie | Molekülgeometrie |
|---|---|---|---|
| 3 | 0 | trigonal-planar | trigonal-planar |
| 2 | 1 | trigonal-planar | gewinkelt |
| 4 | 0 | tetraedrisch | tetraedrisch |
| 3 | 1 | tetraedrisch | trigonal-pyramidal |
| 2 | 2 | tetraedrisch | gewinkelt |
NH₃: Drei N–H-Bindungen und ein freies Elektronenpaar ergeben vier Elektronenbereiche. Die Elektronengeometrie ist tetraedrisch. Für die Molekülform wird das freie Paar weggedacht: Die drei Wasserstoffatome bilden mit dem Stickstoff eine trigonal-pyramidale Form.
H₂O: Zwei O–H-Bindungen und zwei freie Elektronenpaare ergeben ebenfalls vier Bereiche und damit eine tetraedrische Elektronengeometrie. Nach dem Wegdenken der freien Paare bleiben zwei Bindungen: Das Molekül ist gewinkelt.
Freie Elektronenpaare werden nur von einem Atomkern angezogen und beanspruchen mehr Raum als bindende Bereiche zwischen zwei Kernen. In Wasser drücken sie die O–H-Bindungen deshalb zusammen. Der H–O–H-Winkel beträgt etwa $104{,}5^\circ$ statt des idealen Tetraederwinkels von $109{,}5^\circ$.
Das Verfahren anwenden und seine Grenzen erkennen
Bestimme die Geometrie von Methanal am zentralen Kohlenstoffatom. Es ist mit zwei Wasserstoffatomen durch Einfachbindungen und mit einem Sauerstoffatom durch eine Doppelbindung verbunden. Am Kohlenstoff liegt kein freies Elektronenpaar.
Lösung: Die zwei C–H-Bindungen und die C=O-Doppelbindung sind zusammen drei Bindungsbereiche. Es gibt kein freies Paar am Kohlenstoff. Drei Bereiche ergeben eine trigonal-planare Elektronengeometrie. Weil nur Atome die drei Positionen besetzen, ist auch die Molekülgeometrie trigonal-planar. Die idealen Winkel betragen $120^\circ$.
Das EPA-Modell ist ein Vorhersagemodell für einfache kovalente Moleküle, besonders für Moleküle mit einem klaren Zentralatom. Es ist nicht auf Ionenverbindungen anwendbar und auf Komplexverbindungen nur eingeschränkt. Elektronenmangelbindungen und stark delokalisierte Bindungssysteme können eine genauere Beschreibung verlangen.
Idealwinkel sind Näherungen. Freie Paare, Mehrfachbindungen und unterschiedliche Elektronegativitäten der gebundenen Atome können den Raumbedarf der Bereiche verändern. Das Grundschema liefert dann weiterhin eine Form, aber nicht zwingend den exakten Winkel.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Molekülgeometrie mit EPA
- Ausgangspunkt: Valenzstrichformel mit freien Elektronenpaaren
- Zählen: Bindungsbereiche und freie Paare am Zentralatom
- Elektronengeometrie: linear, trigonal-planar oder tetraedrisch
- Molekülgeometrie: nur Positionen der gebundenen Atome benennen
- Abweichungen: freie Paare, Mehrfachbindungen und unterschiedliche Elektronegativität
- Grenzen: einfache kovalente Moleküle werden modelliert