Geometrie von Verbindungen

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

Aufgabe 1 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 öfters auftreten, sollten zur Sicherheit immer kontrolliert werden: Ist bei jedem Atom die Edelgasregel erfüllt? (Achtung: Wasserstoff braucht nur zwei Elektronen!) 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? (Gilt bei bei Elemente in der 3. oder weiteren Perioden sind nicht immer, da ja Platz für mehr als 8 Elektronen sind.)

Aufgabe 2 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): Elektronenwolken versuchen einen möglichst großen Abstand voneinander zu haben. Einfach-, Doppelt- und Dreifachbindungen werden wie eine Elektronenwolke gezählt. 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°		H2
linear	180°		CO2
trigonal-planar	120°		Formaldehyd H2CO
tetraedrisch	109,5°		Methan CH4
trigonal-bipyramidal	90° oder 120°		PCl5
quadratisch-bipyramidal	90°		SF6

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
		tetraedrisch	109,5°	Methan CH4		109,5°
		trigonal pyramidal	109,5°	Ammoniak NH3		107,8°
		gewinkelt	109,5°	Wasser H2O		104,45°
		linear	180°	Fluorwasserstoff HF		180°, aber eigentlich kein Winkel ablesbar!

Ein komplette(re) Übersicht aller Pesudostrukturen und die sich daraus ergebenden Realstrukturen gibt es für diejenigen, die die hübschen rosa Kugeln mögen, auf der Wikipedia-Seite  VSEPR-Modell . VSEPR ist eine Abkürzung, die in etwa das gleiche bedeuten soll wie EPA. Die Tabelle mit der Übersicht wurde aber auch am Ende dieser Seite angefügt.

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.

Vorhersagen bei freien Elektronenpaaren am Zentralatom

Teilkopie aus Wikipedia-Artikel  VSEPR-Modell 

Wenn keine freien Elektronenpaare am Zentralatom vorhanden sind, können Molekülstrukturen recht einfach durch Abzählen der „Reste“ vorhergesagt werden.

Dennoch lässt sich auch die Betrachtung von Verbindungen mit einem oder mehreren freien Elektronenpaaren näherungsweise schematisieren. Dazu werden diese - ähnlich wie Bindungspartner - als Pseudoliganden behandelt und mit dem griechischen Buchstaben „ψ“ gekennzeichnet. So gelangt man zur Pseudostruktur des jeweiligen Moleküls.

Beispiel: das Sauerstoffatom des Wassermoleküls, an welches zwei Wasserstoffatome kovalent gebunden sind (X = 2), weist zwei freie Elektronenpaare auf (E = 2). Daraus ergibt sich eine Anzahl von # = 2 + 2 = 4 Pseudoliganden und somit eine tetraedrische Pseudostruktur, die als ψ²-Tetraeder beschrieben werden kann. Indem nun die freien Elektronenpaare „weggedacht“ werden, bleibt die in diesem Fall gewinkelte Realstruktur zurück, die nur durch die Atomkerne beschrieben wird.

Ein Beispiel für ein ψ¹-Tetraeder, d. h. mit nur einem freien Elektronenpaar, ist das Ammoniak-Molekül NH₃.

#	Molekültypen	Beispiel	Ψ - Struktur / Pseudostruktur	Realstruktur	Winkel
1	AX1	H2	linear	linear	180°
2	AX2	BeCl2 CO2	linear	linear	180°
	AX1E1		linear	linear	180°
3	AX3	BF3 NO3− CO32−	trigonal planar	trigonal planar	120°
	AX2E	SO2 O3 NO2−	trigonal planar	gewinkelt	ca. 115°
	AX1E2		trigonal planar	linear	180°
4	AX4	CH4 SO42− PO43− ClO4−	tetraedrisch	tetraedrisch	109,5°
	AX3E	NH3 PCl3	tetraedrisch	trigonal-pyramidal	ca. 107°
	AX2E2	H2O	tetraedrisch	gewinkelt	ca. 104°
	AX1E3	HCl	tetraedrisch	linear	180°
5	AX5	PCl5	trigonal-bipyramidal	trigonal-bipyramidal	120° / 90°
	AX4E	SF4, SCl4	trigonal-bipyramidal	"Wippe", bisphenoidal	ca. 175° / 110°
	AX3E2	ClF3	trigonal-bipyramidal	T-förmig	ca. 87,5°
	AX2E3	XeF2	trigonal-bipyramidal	linear	180°
6	AX6	SF6	oktaedrisch (=quadratisch-bipyramidal, trigonal-antiprismatisch)	oktaedrisch (=quadratisch-bipyramidal, trigonal-antiprismatisch)	90°
	AX5E	ClF5</sub	oktaedrisch (=quadratisch-bipyramidal, trigonal-antiprismatisch)	quadratisch-pyramidal	ca. 85°
	AX4E2	XeF4	oktaedrisch (=quadratisch-bipyramidal, trigonal-antiprismatisch)	quadratisch-planar	90°
7	AX7	IF7	pentagonal-bipyramidal	pentagonal-bipyramidal	90° / 72°
	AX6E	XeOF5]−	pentagonal-bipyramidal	pentagonal-pyramidal	ca. 90° / ca. 72°
	AX5E2	XeF5−	pentagonal-bipyramidal	pentagonal-planar	72°
8	AX8	IF8−	tetragonal-antiprismatisch	tetragonal-antiprismatisch	78° / 73°