Moleküle und ihre Geometrie: Unterschied zwischen den Versionen

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Die vier Kugelwolken, werden zwar meist "flach" dargestellt, tatsächlich aber verteilen sich die vier Kugelwolken gleichmäßig um den Kern herum. Sie haben dann eine sogenannte Tetraedrische Anordnung, wobei der Kern in der Mitte des Tetraeders liegt und die Kugelwolken kann man sich an den Ecken des Tetraeders vorstellen.
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Baut man eine Molekül mit dem Baukasten zusammen, so sieht man nicht nur, wie ein Molekül aufgebaut ist, sondern nebenbei auch noch die genaue räumliche Anordnung. Welches Winkel zwischen den Bindungen sind, ob ein Molekül ganz eben ist, wie etwa das Benzol, oder sogar ganz gestreckt.
  
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http://www.geogebratube.org/student/m31000
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Da dies bei der "flachen" Darstellung in der Lewisschreibweise verloren geht, muss man wissen, wo man welche Winkel hat ... und das lässt sich aus der Lewisschreibweise einigermaßen genau ablesen.
  
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Die vier Kugelwolken, werden zwar meist "flach" dargestellt, tatsächlich aber verteilen sich die vier Kugelwolken gleichmäßig um den Kern herum. Sie haben dann eine sogenannte Tetraedrische Anordnung, wobei der Kern in der Mitte des Tetraeders liegt und die Kugelwolken kann man sich an den Ecken des Tetraeders vorstellen. Durch Doppelbindungen kann es aber auch zu anderen Anordnungen kommen, da man dann nicht vier "Anhängsel" sondern nur drei oder gar zwar hat.
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Unter der Beachtung der Regeln ergeben sich damit für eine bestimmte Anzahl an "Anhängsel" an einem Atom (ob Atom oder freies Elektronenpaar) mehrere sogenannte '''Pseudo-Strukturen'''. Man verwendet die Vorsilbe "Pseudo" für die nun folgenden Strukturen, weil freie Elektronen zwar Platz benötigen aber nur die Atome „sichtbar“ sind. Daraus ergeben sich die Realstrukturen, die im nächsten Abschnitt genauer betrachtet werden.
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[[File:Methane-2D-square.png|right|110px]]Wie bei der Lewisschreibweise von Methan kann man auch in einer "flachen" Darstellung andeuten, wie die räumlichen Anordnung ist. Man verwendet dazu Keile (''siehe Tabelle'') um anzudeuten, das etwa ein Atom oberhalb der Blattebene liegen müsste bzw. eine gestrichelte Linie, um zu verdeutlichen, dass das Atom hinter der Blattebene liegen müsste. Dies wird nicht immer gemacht und meist bei Methan die "flache" Darstellung (''siehe rechts'') verwendet, denn es wird vorausgesetzt, dass die Regeln zur räumlichen Anordnung bekannt sind.
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Zunächst einmal eine Übersicht und dann folgen ein paar Erklärungen. In einer "mathematischen" Darstellung lassen sich die Strukturen [http://www.geogebratube.org/student/m31000 hier] von allen Seiten betrachten.
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! Bezeichnung Reale Struktur
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! Beispiel
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! Beispiel in Lewisschreibweise
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| tetraedrisch
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| Methan CH<sub>4</sub>
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| [[File:Methane-2D-stereo.svg|110px]]
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| 109,5°
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| [[File:AX3E1-3D-balls.png|110px]]
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| [[File:Pyramidal-3D-balls.png|110px]]
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| trigonal pyramidal
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| 109,5°
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| Ammoniak NH<sub>3</sub>
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| [[File:Ammoniak.svg|90px]]
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| 107,8°
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| [[File:AX2E2-3D-balls.png|110px]]
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| [[File:Bent-3D-balls.png|100px]]
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| gewinkelt
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| 109,5°
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| Wasser H<sub>2</sub>O
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| [[File:H2O.svg|100px]]
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| 104,45°
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| [[File:AX1E3-3D-balls.png|110px]]
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| [[File:AX1E0-3D-balls.png|90px]]
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| linear
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| 180°
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| Fluorwasserstoff HF
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| [[File:Fluorwasserstoff.svg|75px]]
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| 180°, ''aber eigentlich kein Winkel ablesbar!''
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Ein komplette Übersicht aller Pesudostrukturen und die sich daraus ergebenden Realstrukturen gibt es für diejenigen, die die hübschen rosa Kugeln mögen, auf der Wikipedia-Seite {{wpde|VSEPR-Modell|VSEPR-Modell}}. '''VSEPR''' ist eine Abkürzung, die in etwa das gleiche bedeuten soll wie '''EPA'''.
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Es sollte aufgefallen sein, dass sich der theoretische Winkel, der sich aus der tetraedrischen Anordnung ergibt, bei den Beispielen nicht immer mit dem tatsächlichen Winkel übereinstimmt. Außer beim Methan ist der Winkel immer kleiner. [http://wikis.zum.de/chemie-digital/images/6/60/HF_bis_CH4.cml Avogadro-Zeichnung, um die Winkel zu messen]. Begründung dafür:
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{{Kurzregel|Freie Elektronenpaare brauchen mehr Platz als einzelne Bindungselektronenpaar. Dadurch weicht der rechnerische Winkel in Strukturen mit freien Elektronenpaaren vom tatsächlichen Wert ab.}}
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Entsprechende Überlegungen lässt sich natürlich auf die anderen Pseudostrukturen übertragen.
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{{Aufgabe|Ordne die bisher in Lewisschreibweise gezeichneten Moleküle den Pseudo- und Realstrukturen zu.}}

Aktuelle Version vom 19. April 2013, 05:18 Uhr

Inhaltsverzeichnis

Lewisschreibweise bei Verbindungen

Wichtige Begriffe:
  • Summenformel: Gibt die Anzahl der einzelnen Atome in dem Molekül mit Hilfe der Symbolschreibweise an.
Beispiel: Wasser hat die Summenformel H2O
  • Strukturformel: Aufbau und Verknüpfung der Atome in einem Molekül in der Lewisschreibweise dargestellt.
Beispiel: Wasser hat die Strukturformel H2O.svg


Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe XX

Bestimme die Lewisschreibweise für die folgenden Verbindungen: H2S, NH3, HBr, AlCl3, Ethylen C2H2


Die letzten Aufgaben waren noch recht einfach, da man nur zwei Arten von Atomen hatte. Wenn 3 oder mehr Arten und vor allem auch eine größere Anzahl beteiligt ist, kann man leicht Fehler machen. In der letzten Aufgabe zeigte sich ein möglicher Fehler. Außerdem solltest du zur Kontrolle noch folgendes beachten:

Fehler die beim Zeichnen der Lewisschreibweise öfter sauftreten, sollten zur Sicherheit immer kontrolliert werden:
  • Ist bei jedem Atom die Edelgasregel erfüllt?
  • Ist die Gesamtanzahl der äußeren Elektronen gleich der Anzahl der Elektronen in der Lewisschreibweise?
  • Hat jedes Atom nur so viele Bindungselektronenpaare, wie es ungepaarte Elektronen hatte?
Anmerkung: Einige der Regeln, sind nicht immer erfüllt, aber in der Schule gibt es keine Aufgaben, wo diese Regeln nicht stimmen. Außer für Einser-Kandidaten!


Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe XX

Nutze den Molekülbaukasten, um die Moleküle mit den folgenden Summenformeln zusammenzubauen und sie dann in Lewisschreibweise festzuhalten.

Formaldehyd H2CO, Methanal CH2OH, PH3, Kohlensäure H2CO3, Cyanwasserstoff HCN, Ameisensäure HCOOH, Ethanol C2H5OH, Benzol C6H6, Heptan C7H16

Tipp: Erst ein Molekül zusammenbauen, dann die Atome entsprechend der Anordnung im Modell ins Heft zeichnen, dann erst die Striche für die Bindungselektronen- und freien Elektronenpaare zeichnen, Abschlusskontrolle um Fehler auszuschließen. Lösung auf Extra-Seite


Regeln zur räumlichen Anordnung von Atomen in Molekülen

Baut man eine Molekül mit dem Baukasten zusammen, so sieht man nicht nur, wie ein Molekül aufgebaut ist, sondern nebenbei auch noch die genaue räumliche Anordnung. Welches Winkel zwischen den Bindungen sind, ob ein Molekül ganz eben ist, wie etwa das Benzol, oder sogar ganz gestreckt.

Da dies bei der "flachen" Darstellung in der Lewisschreibweise verloren geht, muss man wissen, wo man welche Winkel hat ... und das lässt sich aus der Lewisschreibweise einigermaßen genau ablesen.

Dazu nun ein paar Regeln und Beispiele.

Grundregeln EPA (Elektronenpaarabstoßungsmodell):
  1. Elektronenwolken versuchen einen möglichst großen Abstand voneinander zu haben.
  2. Einfach-, Doppelt- und Dreifachbindungen werden wie eine Elektronenwolke gezählt.
  3. Freie Elektronenpaare werden wie eine Bindung gezählt.


Pseudostrukturen

Die vier Kugelwolken, werden zwar meist "flach" dargestellt, tatsächlich aber verteilen sich die vier Kugelwolken gleichmäßig um den Kern herum. Sie haben dann eine sogenannte Tetraedrische Anordnung, wobei der Kern in der Mitte des Tetraeders liegt und die Kugelwolken kann man sich an den Ecken des Tetraeders vorstellen. Durch Doppelbindungen kann es aber auch zu anderen Anordnungen kommen, da man dann nicht vier "Anhängsel" sondern nur drei oder gar zwar hat.

Unter der Beachtung der Regeln ergeben sich damit für eine bestimmte Anzahl an "Anhängsel" an einem Atom (ob Atom oder freies Elektronenpaar) mehrere sogenannte Pseudo-Strukturen. Man verwendet die Vorsilbe "Pseudo" für die nun folgenden Strukturen, weil freie Elektronen zwar Platz benötigen aber nur die Atome „sichtbar“ sind. Daraus ergeben sich die Realstrukturen, die im nächsten Abschnitt genauer betrachtet werden.

Bezeichnung Winkel allgemeine Darstellung Beispiel Beispiel in Lewisschreibweise
linear 180° AX1E0-3D-balls.png H2 Wasserstoff.svg
linear 180° AX2E0-3D-balls.png CO2 Carbon dioxide.svg
trigonal planar 120° AX3E0-3D-balls.png Formaldehyd H2CO Formaldehyde-2D.svg
tetraedrisch 109,5 AX4E0-3D-balls.png Methan CH4 Methane-2D-stereo.svg
... ... ... ... ...
... noch 5 weitere ... ... ... ...
Methane-2D-square.png
Wie bei der Lewisschreibweise von Methan kann man auch in einer "flachen" Darstellung andeuten, wie die räumlichen Anordnung ist. Man verwendet dazu Keile (siehe Tabelle) um anzudeuten, das etwa ein Atom oberhalb der Blattebene liegen müsste bzw. eine gestrichelte Linie, um zu verdeutlichen, dass das Atom hinter der Blattebene liegen müsste. Dies wird nicht immer gemacht und meist bei Methan die "flache" Darstellung (siehe rechts) verwendet, denn es wird vorausgesetzt, dass die Regeln zur räumlichen Anordnung bekannt sind.


Reale Strukturen in der Tetraedrischen Anordnung

Zunächst einmal eine Übersicht und dann folgen ein paar Erklärungen. In einer "mathematischen" Darstellung lassen sich die Strukturen hier von allen Seiten betrachten.

Pseudostruktur Reale Struktur Bezeichnung Reale Struktur Berechneter Winkel Beispiel Beispiel in Lewisschreibweise Tatsächlicher Winkel
AX4E0-3D-balls.png AX4E0-3D-balls.png tetraedrisch 109,5° Methan CH4 Methane-2D-stereo.svg 109,5°
AX3E1-3D-balls.png Pyramidal-3D-balls.png trigonal pyramidal 109,5° Ammoniak NH3 Ammoniak.svg 107,8°
AX2E2-3D-balls.png Bent-3D-balls.png gewinkelt 109,5° Wasser H2O H2O.svg 104,45°
AX1E3-3D-balls.png AX1E0-3D-balls.png linear 180° Fluorwasserstoff HF Fluorwasserstoff.svg 180°, aber eigentlich kein Winkel ablesbar!

Ein komplette Übersicht aller Pesudostrukturen und die sich daraus ergebenden Realstrukturen gibt es für diejenigen, die die hübschen rosa Kugeln mögen, auf der Wikipedia-Seite Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite VSEPR-Modell . VSEPR ist eine Abkürzung, die in etwa das gleiche bedeuten soll wie EPA.

Es sollte aufgefallen sein, dass sich der theoretische Winkel, der sich aus der tetraedrischen Anordnung ergibt, bei den Beispielen nicht immer mit dem tatsächlichen Winkel übereinstimmt. Außer beim Methan ist der Winkel immer kleiner. Avogadro-Zeichnung, um die Winkel zu messen. Begründung dafür:

Freie Elektronenpaare brauchen mehr Platz als einzelne Bindungselektronenpaar. Dadurch weicht der rechnerische Winkel in Strukturen mit freien Elektronenpaaren vom tatsächlichen Wert ab.


Entsprechende Überlegungen lässt sich natürlich auf die anderen Pseudostrukturen übertragen.





Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe

Ordne die bisher in Lewisschreibweise gezeichneten Moleküle den Pseudo- und Realstrukturen zu.

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