Tool: Molekülgeometrie nach dem EPA-Modell

Molekülgeometrie nach dem EPA-Modell

Das EPA-Modell (Elektronenpaarabstoßungs-Modell) sagt die räumliche Gestalt eines Moleküls voraus, allein aus den Elektronenpaaren am Zentralatom. International heißt es VSEPR-Modell (Valence Shell Electron Pair Repulsion). Formuliert haben es 1957 Ronald Gillespie und Ronald Nyholm.

Der Grundgedanke

Elektronenpaare sind negativ geladen und stoßen einander ab. Um das Zentralatom ordnen sie sich so an, dass sie größtmöglichen Abstand voneinander haben. Wo die bindenden Elektronenpaare liegen, liegen auch die Bindungspartner; damit steht die Gestalt des Moleküls fest.

Gezählt werden Bereiche, nicht Paare

Ein Elektronenpaarbereich ist eine Einfachbindung, eine Doppelbindung, eine Dreifachbindung oder ein freies Elektronenpaar am Zentralatom. Eine Mehrfachbindung zählt als ein Bereich, denn ihre Elektronenpaare liegen zwischen denselben beiden Atomen. Das C-Atom im CO₂-Molekül ist an vier bindenden Elektronenpaaren beteiligt, hat aber nur zwei Bereiche. Im Ethin- und im Ethen-Molekül zählt man an jedem C-Atom einzeln.

So bestimmst du die Gestalt

1. Valenzstrichformel aufstellen und das Zentralatom suchen.
2. Elektronenpaarbereiche am Zentralatom zählen.
3. Daraus die Anordnung der Bereiche ablesen: zwei linear, drei trigonal-planar, vier tetraedrisch.
4. Die freien Elektronenpaare weglassen: Die Gestalt beschreibt nur die Lage der Atome.

Beim Wasser-Molekül sind vier Bereiche tetraedrisch angeordnet; sichtbar sind aber nur die beiden Bindungen, und die stehen gewinkelt. Zweiatomige Moleküle wie HF und HCl haben kein Zentralatom. Zwei Atome liegen immer auf einer Geraden; einen Bindungswinkel gibt es nicht.

Freie Elektronenpaare brauchen mehr Raum

Ein bindendes Elektronenpaar wird von zwei Atomkernen angezogen und ist auf den Raum zwischen ihnen beschränkt. Ein freies Elektronenpaar gehört nur zu einem Atom und beansprucht mehr Raum. Es drängt die Bindungen stärker zur Seite, als diese einander drängen. Deshalb sinkt der Winkel: 109,5° beim Methan-Molekül, 107° beim Ammoniak-Molekül mit einem freien Elektronenpaar, 104,5° beim Wasser-Molekül mit zweien.

Wenn die Winkel abweichen

Das Modell sagt die Gestalt zuverlässig voraus, den genauen Winkel nur ungefähr.

• Größe des Zentralatoms. Das S-Atom hat eine besetzte Schale mehr als das O-Atom und ist größer. Beim H₂S-Molekül sitzen die H-Atome deshalb weiter entfernt, und die Bindungspaare stoßen einander schwächer ab: etwa 92° statt 104,5°. Ebenso beim PH₃-Molekül mit etwa 93,5°.
• Elektronegativität der Bindungspartner. F-Atome sind elektronegativer als H-Atome. Beim NF₃-Molekül ziehen sie die Bindungselektronen zu sich; die Bindungspaare sitzen weiter vom N-Atom entfernt und stoßen einander schwächer ab: etwa 102° statt 107°.
• Doppelbindungen beanspruchen etwas mehr Raum als Einfachbindungen. Beim Methanal-Molekül beträgt der H–C–H-Winkel deshalb etwa 116°, die H–C=O-Winkel etwa 122°. Beim Ethen-Molekül sind es etwa 117° für den H–C–H-Winkel.

Grenzformeln bei SO₂, SO₃ und Ozon

Diese drei Moleküle lassen sich nicht mit einer einzigen Valenzstrichformel beschreiben. Gezeigt wird jeweils eine Grenzformel mit einer Doppelbindung und einer bzw. zwei Einfachbindungen; darin tragen einzelne Atome Formalladungen. Tatsächlich sind alle S–O- bzw. O–O-Bindungen gleich lang. Für die Gestalt spielt das keine Rolle: Die Zahl der Bereiche bleibt dieselbe.

Grenzen des Modells

Das EPA-Modell macht keine Aussage über Bindungslängen und Bindungsstärken. Es erklärt auch nicht, warum sich Elektronenpaare gerade so verteilen; dafür braucht man Orbitalmodelle. Eine Valenzstrichformel gibt die Bindungen nur in der Ebene wieder, über die räumliche Gestalt sagt sie allein nichts aus.