Molekülgeometrie & Elektronenpaarabstoßung

Eigenschaften und Reaktionen von Stoffen hängen von dem räumlichen Bau der Moleküle ab.

Durch die Molekülstruktur kann man sich verschiedene Eigenschaften ableiten, z.B. warum Wassermoleküle gewinkelt sind.

Elektronenpaarabstoßung

Für die Molekülstruktur sind die Außenelektronen maßgeblich verantwortlich.

Wie Du sicher weißt, sind Elektronen negativ geladen, sie stoßen sich gegenseitig ab.

Was Du vielleicht noch nicht weißt: Elektronen halten sich in Paaren und in sogenannten Wolken auf.

Es halten sich, falls möglich, immer zwei Elektronen in einer Wolke auf. Wir sprechen hier von sogenannten Elektronenpaaren und Elektronenpaarwolken.

Elektronenpaarwolken stoßen sich gegenseitig ab. Du kannst Dir das wie eine Luftballon-artige Wolke vorstellen, die jedes Elektronenpaar umgibt.

Dies gilt nicht nur für bindende Elektronenpaare, sondern auch für freie Elektronenpaare, wobei freie Elektronenpaare etwas mehr Platz benötigen als bindende.

Merke Dir also: Jedes Elektronenpaar, sowohl gebunden als auch nicht gebunden, stößt sich ab und versucht möglichst viel Raum um sich zu haben.

Beispiel:

Wasser $$(H_2O)$$: Sauerstoff besitzt 6 Außenelektronen (auch Valenzelektronen). Im Wassermolekül ist Sauerstoff mit zwei Elektronen durch jeweils eine Elektronenpaarbindung mit den Wasserstoffatomen verbunden. Vier nicht bindende Elektronen bzw. 2 Elektronenpaare bleiben übrig. Daraus ergibt sich eine annähernd tetraedrische Anordnung von Wasserstoffatomen und freien Elektronenpaaren. Im Gegensatz zu einer rein tetraedrischen Anordnung wie Methan nehmen die freien Elektronenpaare am Sauerstoff etwas mehr Platz ein als die bindenden. Man spricht auch von einer verzerrt tetraedrischen Struktur. Wasser ist deshalb gewinkelt und liegt nicht linear vor!

Um die Geometrie von Molekülen zu beschreiben, werden meistens Winkel und Bindungslänge angegeben. Die Bindungslänge hängt dabei von den beteiligten Elementen und auch von der Art und Stärke der chemischen Bindung ab. Die Bindungswinkel ergeben sich durch die elektrostatische Abstoßung der Elektronenpaare.

Geometrie

Je nach Anzahl abstoßender Elektronenpaare ergeben sich folgende Strukturen:

Nr.	Name	Geometrie	​Beispiel​	Bindungswinkel
2	Linear		Kohlenstoffdioxid $$CO_2$$​​​	180°
3	Trigonal-planar		Bortrifluorid $$BF_3$$​​​	120°
4	Tetraedrisch		Methan $$CH_4$$​​​	109,5°
5	Trigonal-bipyramidal		Phosphorpentachlorid $$PCl_5$$​​​	äquatorial 120° axial 90°

Erklärung

Kohlendioxid: besteht aus Kohlenstoff und zwei doppelt gebundenen Sauerstoffen. Es gibt keine freien Elektronenpaare und die beiden Bindungen nehmen den größtmöglichen Abstand voneinander ein!

Bortrifluorid: Bortrifluorid ist eine Elektronenmangelverbindung. Bor hat im elementaren Zustand drei Außenelektronen, von denen es jeweils eines mit dem Fluor teilt. Die drei Bindungen nehmen die größtmögliche Distanz zueinander ein!
Methan: Vier gleiche Einzelbindungen liegen vor, die den größtmöglichen Abstand zueinander einnehmen. Es ergibt sich ein regelmäßiges Tetraeder.

Phosphorpentachlorid: Elemente nach der zweiten Periode können mehr als vier Bindungen aufweisen. Um fünf Bindungen zu realisieren wird eine Trigonal-bipyramidale Struktur gewählt, also zwei Pyramiden mit einer gemeinsamen dreieckigen Grundfläche in der Mitte.