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Die Chemie-Schule

Thema: Grundlagen der Bindungslehre

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29. Die Molekülgestalt

Elektronenpaare

Elektronenpaare spielen bei der Chemischen Bindung eine besondere Rolle: die Atombindung wird durch bindende Elektronenpaare vermittelt, die zwischen den zwei beteiligten Atomen stehen und beiden gemeinsam sind. Diese Art der Bindung ist neben der Ionischen und der Metallischen Bindung die wichtigste. Dagegen sind freie Elektronenpaare nur einem Atom zugehörig und werden nach IUPAC-Empfehlung zur besseren Unterscheidbarkeit durch zwei Punkte dargestellt.

 
Überlege unter Verwendung der Elektronenformeln, welche Molekülgestalt die folgenden Moleküle besitzen
  • $ \mathrm { CCl_{4} } $
  • $ \mathrm { PH_{3} } $
  • $ \mathrm { H_{2}S } $
  • $ \mathrm { F_{2}O } $
  • $ \mathrm { CO_{2} } $
 
Versuche ein räumliches Modell des Methan-Moleküls zu basteln. Beachte dabei, dass sich die Elektronenpaare gegenseitig abstoßen.

Verbinden sich sich zwei oder mehr Atome zu einem Molekül, so kann dessen Aufbau gestreckt, gewinkelt, eben oder räumlich sein. Den Aufbau einfacher Moleküle kann man in einem Modell darstellen, wenn man folgendes beachtet:


  1. Wegen ihrer negativen elektrischen Ladung stoßen sich Elektronen ab.
  2. Elektronen können sich paarweise anordnen, Elektronenpaare stoßen sich auch ab.

Einfache Moleküle und ihre Gestalt

Das Molekül Methan hat die Formel $ \mathrm { CH_{4} } $, was bedeutet, dass das Kohlenstoffatom mit vier Wasserstoffatomen über je eine Atombindung verbunden ist.

$ \mathrm {H: { \overset {\Large H} {\overset {\Large {\centerdot \ \centerdot }} { \underset {\Large H} {\underset {\Large {\centerdot \ \centerdot }} {C}}}}} :H } \qquad $ oder $\qquad \mathrm {H \ – \ { \overset {\Large H} {\overset {|} { \underset {\Large H} {\underset {|}{C}}}}} \ – \ H } $       = Methan

Der Aufbau eines Moleküls kann auf verschiedene Arten beschrieben werden. Denn Moleküle sind in der realen Welt nicht sichtbar und somit müssen die Moleküle durch Kugeln (genau wie die Atome ) dargestellt werden. Am Methanmodell unten erkennt man, dass die beiden aufgestellten Regeln von oben erfüllt sind, wenn die 4 Elektronenpaare in die vier Ecken eines Tetraeders gerichtet sind. Die vorangegangene Darstellung gibt also nicht den räumlichen Bau des Methanmoleküls wieder.

$ \mathrm {H: { \overset H {\overset {\centerdot \ \centerdot } { \underset H {\underset {\centerdot \ \centerdot }{C}}}}} :H } $

$ \mathrm {H: {\overset {\centerdot \ \centerdot } { \underset H {\underset {\centerdot \ \centerdot }{N}}}} :H } $

$ \mathrm {H: {\overset {\centerdot \ \centerdot } { \underset H {\underset {\centerdot \ \centerdot }{O}}}}: } $

$ \mathrm { CH_{4} } $

$ \mathrm { NH_{3} } $

$ \mathrm { H_{2}O } $

Die Molekülgestalt von Methan, Ammoniak und Wasser kann vom Tetraeder abgeleitet werden.

Beim Ammoniakmolekül $ \mathrm { NH_{3} } $ ist ein freies Elektronenpaar in eine Tetraederecke gerichtet. Die drei Wasserstoffatome sind an den Ecken der Grundfläche einer dreiseitigen Pyramide; das Stickstoffatom ist an der Spitze der Pyramide und trägt das freie Elektronenpaar. Das Wassermolekül besitzt am Sauerstoffatom zwei freie Elektronenpaare, die in Tetraederecken gerichtet sind. Die beiden Bindungen des Sauerstoffatoms mit den Wasserstoffatomen schließen einen Winkel von etwa 104° ein. Das Wassermolekül ist also gewinkelt.

Wenn die Molekülgestalt bekannt ist, kann man eine Reihe von Eigenschaften besser verstehen. Für die Eigenschaften von Verbindungen ist nämlich nicht nur wichtig, welche Atome miteinander verbunden sind, sondern auch wie diese räumlich im Molekül angeordnet sind.

 
Das Metanmolekül ist ein Tetraeder
 
Das Ammoniakmolekül kann man sich als eine Pyramide vorstellen, an deren Spitze das Stickstoffatom sitzt
 
Das Wassermolekül ist gewinkelt mit einem Bindungswinkel von 104°