Warum haben Moleküle bestimmte Formen?
Die Elektronenpaare um das Zentralatom bestimmen die Form eines Moleküls. Jedes Elektronenpaar ist negativ geladen. Deshalb stoßen sich die Paare ab und bleiben so weit wie möglich voneinander entfernt. Die anderen Atome liegen in den Richtungen dieser Paare.
Um die Form zu finden, zählst du am Zentralatom zwei Dinge:
- Bindung: ein Elektronenpaar, das das Zentralatom mit einem anderen Atom verbindet.
- Freies Elektronenpaar: ein Elektronenpaar am Zentralatom, das nicht in einer Bindung steckt. Es stößt die anderen Paare ab, zählt aber nicht für den Namen der Form, denn Formen werden nach den Positionen der Atome benannt.
Jede Bindung und jedes freie Elektronenpaar heißt eine Domäne. 2 Domänen liegen auf einer Linie. 3 Domänen zeigen zu den Ecken eines Dreiecks. 4 Domänen zeigen zu den Ecken eines Tetraeders.
Tabelle: Form aus Bindungen und freien Elektronenpaaren bestimmen
| Bindungen | Freie Elektronenpaare | Molekülform | Bindungswinkel | Beispiel |
|---|---|---|---|---|
| 2 | 0 | Linear | 180° | CO2 |
| 3 | 0 | Trigonal-planar | 120° | BF3 |
| 2 | 1 | Gewinkelt | ≈118° | SO2 |
| 4 | 0 | Tetraedrisch | 109.5° | CH4 |
| 3 | 1 | Trigonal-pyramidal | ≈107° | NH3 |
| 2 | 2 | Gewinkelt | ≈104.5° | H2O |
CH4, NH3 und H2O haben alle 4 Domänen. Ein freies Elektronenpaar stößt aber stärker ab als eine Bindung, deshalb wird der Bindungswinkel mit jedem zusätzlichen freien Elektronenpaar kleiner. Manche Bücher nennen die gewinkelte Form auch „V-förmig“.
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Füge Bindungen und freie Elektronenpaare hinzu oder entferne sie und sieh, wie sich Form und Winkel ändern. Dieser Simulator gehört zum vollen Zugang. Der Download ist kostenlos, und 2 Kapitel und 5 Simulatoren sind ohne Anmeldung freigeschaltet.
Wie benutzt du den Simulator?
- Der Simulator öffnet sich mit einem Molekül mit 4 Bindungen und ohne freie Elektronenpaare. Die Karte oben links zeigt den Namen der Form, den Bindungswinkel und die Anzahl der Bindungen und freien Elektronenpaare.
- Ändere im unteren Feld mit den Buttons − und + in der Reihe Bindung die Bindungen von 2 bis 4.
- Füge in der Reihe Freies Elektronenpaar freie Elektronenpaare von 0 bis 2 hinzu oder entferne sie. Sobald die Summe aus Bindungen und freien Elektronenpaaren 4 erreicht, funktioniert der Button + nicht mehr. Entferne also eine Bindung, bevor du ein freies Elektronenpaar hinzufügst.
- Die Buttons CO2, BF3, H2O, NH3 und CH4 in der Reihe Beispiel: führen dich zu einem fertigen Molekül.
- Der gelbe Button oben rechts führt zum Startzustand zurück.
Aufgaben für den Simulator
- Geh vom Button CH4 zu NH3 und dann zu H2O. Wie ändern sich Form und Winkel? Antwort: Tetraedrisch 109.5°, trigonal-pyramidal ≈107°, gewinkelt ≈104.5°.
- Stelle Bindung auf 2 und Freies Elektronenpaar auf 0 und füge dann nacheinander freie Elektronenpaare hinzu. Antwort: Linear 180°, gewinkelt ≈118°, gewinkelt ≈104.5°.
- Vergleiche BF3 und NH3. Beide haben 3 Bindungen. Warum sind ihre Formen verschieden? Antwort: Stickstoff hat 1 freies Elektronenpaar, Bor hat keines.
Häufige Fehler
- Wasser für linear halten. Die Formel wird in einer Linie als H–O–H geschrieben, aber Sauerstoff hat 2 freie Elektronenpaare, deshalb ist das Molekül gewinkelt.
- Ein freies Elektronenpaar als Atom zählen. NH3 hat 4 Domänen, aber 3 Wasserstoffatome. Deshalb heißt die Form trigonal-pyramidal und nicht tetraedrisch.
Was beeinflusst die Form?
Ein Wassermolekül ist gewinkelt. Seine Ladung ist deshalb ungleichmäßig verteilt, und es ist ein polares Molekül. Darum löst Wasser Salz und Zucker gut. Die Bindungen in CO2 sind polar, aber das Molekül ist gerade. Die Ladung ist also auf beiden Seiten gleichmäßig verteilt, und das Molekül ist insgesamt unpolar.
Mehr zu 5 und 6 Domänen und zur Elektronenpaargeometrie findest du in der Anleitung zum VSEPR-Modell.
