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Räumliche Struktur von Molekülen

Das VSEPR-/ EPA-Modell

Hier geht es darum, wie man aus Summen- bzw. Strukturformel die räumliche Struktur eines Moleküls ableiten kann - warum das Methan-Molekül wie ein Tetraeder ("Vierflächner") ausschaut, ein Carbonation trigonal planar oder auch warum Wasser ein gewinkeltes Molekül ist. Grundlage ist das VSEPR- (Valence Shell Electron Pair Repulsion) bzw. auf deutsch EPA-(Elektronen-Paar-Abstoßung) Modell. Einen Einstieg in dieses Thema sollen dir die folgenden beiden Videos geben, bei denen Verbindungen bis insgesamt 5 Atome betrachtet werden. Die weiteren Formen mache ich gern bei Bedarf.

 

Die beiden Videos unterscheiden sich hauptsächlich in Sachen technischer Qualität - eines ist aus den Anfangstagen mit Webcam und Papier, das andere am Whiteboard mit "richtiger" Kamera. Da Herangehensweise und lückenfüllende Nebeninformationen tagesform- und methodenabhängig sind, möchte ich nicht beurteilen, mit welchem du besser zurecht kommst - teste sie aus und entscheide es für dich persönlich!


Grundlagen

Um Überhaupt eine dreidimensionale Vorstellung von einem Molekül zu erhalten, braucht man die zweidimensionale Struktur - die liefern die Valenzstrichformeln:


Videos

die neue Version:

 

Direktlink zum Video auf Youtube

Zusammenfassung in Textform (mit Zeitangaben)


Einführung zur VSEPR / EPA - Theorie

                                     

Einleitung

Begriffsklärung VSEPR = valence shell electron pair repulsion = Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßung

Begriffsklärung EPA = Elektronenpaar-Abstoßung

Bei dieser Theorie geht es darum eine 2-Dimensionale Valenzstrichformel in eine 3-Dimensionale Darstellung zu überführen, also von der Strukturformel eine räumliche Vorstellung abzuleiten.

 

Am Beispiel Methan (01:55)

Die Summenformel vom Methan ist CH4. Das Kohlenstoffatom hat vier benachbarte Wasserstoffatome, die gleichmäßig an den Kohlenstoff gebunden und darum verteilt sind. Die Bindungselektronenpaare stoßen sich auf Grund der gleichen negativen Ladung voneinander ab und suchen den größtmöglichen Abstand zueinander. Deswegen stellt sich bei der Valenzstrichformel jeweils derselbe Winkel von 90° zwischen den Wasserstoffatomen ein - wohlgemerkt auf dem Papier in der 2D-Darstellung.

Im VSEPR-Modell (03:40) versucht man nun das Molekül im Raum darzustellen. Man stelle sich vor, dass das flache Blatt Papier eine Ebene ist und mit der Überlegung, dass das Blatt Papier eine Tiefe besitzt, kann man das Atom im Raum aufzeichnen. Die nächste Dimension geht aus dem Papier heraus und hinein, senkrecht zur ersten Ebene.

Ein Elektronenpaar, das auf der Papier Ebene liegt, zeichnet man mit einem gewöhnlichen Strich. Liegt das Elektronenpaar hinter der Papier Ebene wird dieses als gestrichelte Keilform gezeichnet. Liegt das Elektronenpaar vor der Ebene wird  es als ausgefüllte Keilform gezeichnet.

Am Beispiel Methan werden zwei Wasserstoffatome in der Papier Ebene gezeichnet und jeweils eins, vor und hinter der Ebene. Da die Elektronenpaare den größtmöglichen Abstand zueinander suchen ordnen sich die Atome zu einem Tetraeder an. In dieser 3-Dimensionalen Struktur ist der Winkel H-C-H ~109,5° (Tetraeder-Winkel). (05:50)

 

Am Beispiel Ammoniak (07:25)

Ammoniak hat die Summenformel NH3. Im 3-Dimensionalen Raum nimmt Ammoniak die Form einer trigonale Pyramide ein und die Atome liegen nicht plan auf einer Ebene. Ursächlich dafür ist das freie Elektronenpaar. Es liegt näher am Stickstoffatom, als die bindenden Elektronenpaare und stößt diese daher ab. Der Winkel zwischen den Wasserstoffatomen H-N-H beträgt ~107°.

 

Am Beispiel Wasser (13:30)

Wasser hat die Summenformel H2O. Auf Grund der zwei freien Elektronenpaare ergibt sich im Wasser in der Valenzstrichformel eine gewinkelte Struktur. Der Winkel zwischen den Wasserstoffatomen ist ~105° und somit nochkleiner als beim Ammoniak, weil das zusätzliche freie Elektronenpaar einen größere Abstoßung zu den bindenden Elektronenpaaren verursacht und die Wasserstoffatome bzw deren Bindungen zum Sauerstoff stärker zusammen drückt.

 

und die alte Version:

 

Direktlink zum Video auf Youtube

 


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Weiterführende Videos

Hier gibt es kein direkt darauf aufbauendes Video sondern eher eine kleine Hilfestellung falls es dir schwer fällt, dir die dreidimensionalen Figuren vorzustellen:

 

 

 

Diskussion

Kommentare   

 
-2 # P4(weißer Phosphor) VSEPRChristoph 2014-03-31 11:03
Hallo Alex,

eigentlich ist das ganze Thema ja recht einfach :) aber bei P4 stehe ich echt auf dem schlauch! Wie sieht die Lewisformel aus und wie sieht dann die entsprechende 3D Struktur aus?

LG,

Christoph
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+2 # RE: P4(weißer Phosphor) VSEPRAlex 2014-03-31 11:25
Eine klassische Lewis-Formel für weißen Phosphor gibts meines Wissens nicht. Bzgl der räumlichen Struktur handelt es sich um einen "gespannten" Tetraeder:

de.wikipedia.org/.../...

Grüße,

alex
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-3 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellTim 2014-01-21 03:03
Hey Alex,
hoffe du liest das. Kannst du mir vielleicht erklären, woher ich weiß, wann/wo eine Doppel/Dreifach bindung entsteht? Z.B. XeO3
Xenon hat 8 VE, 3 davon bindend. Was geschieht mit dem Rest? Bzw. da ich die Antwort ja weiß (trigonal-pyram idal), wieso gibt Xenon jewels ein Elektron an den Sauerstoff ab? Warum entstehen keine Doppelbindungen?

danke schonmal und lg
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+2 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellAlex 2014-01-21 06:42
Natürlich les ich das, ich schalte die Kommentare ja frei ;-)

Eigentlich ist das ein Thema für die Lewis-Formeln:

alteso.de/.../...

Beim Xenon werden doch Doppelbindungen ausgebildet! Wäre das nicht so, müssten die Sauerstoffe ähnlich Ether- oder Peroxiden verbrückend sein, sind sie aber nicht - es werden 3 DB zu den 3 Sauerstoffen ausgebildet, damit sind 6 der 8 VE`s verbaut, übrig bleibt ein freies Elektronenpaar. daher auch die trigonal-pyrami dale Geometrie ähnlich des Ammoniaks.

Das die Struktur von Wikipedia:
en.wikipedia.org/.../...


Klar?

Grüße,

alex
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-2 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellTim 2014-01-21 14:01
Okay... das macht Sinn und so hätte ich es auch gemacht. Das heißt, die Lösung im Mortimer ist falsch. Danke dir! Ich werde mich nochmal mit den Lewis-Formeln befassen, da ich anscheinend irgendetwas nicht verstanden habe.

lg,
Tim
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0 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellAlex 2014-01-21 17:16
Wo steht das im Mortimer? Habe das nicht gefunden. Sag bitte mal Seite und Ausgabe. (Striche in einem Okateder etc, sagen nix zu Bindungsverhält nissen aus)
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-1 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellTim 2014-01-21 19:27
Ahhhhh. Beispiel 9.4. Aber das mit den Strichen wird wohl stimmen. Danke! :)
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-1 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellTim 2014-01-21 16:04
Moment.. nach Lewis: 4*8 - (8+3*6) = 6e- = 3 bindende Paare??
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0 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellAlex 2014-01-21 17:23
Die Formel stammt von hier:

alteso.de/.../...

nur für die anderen, die damit nix anfangen können.

Und dort steht auch "Achtung, aber 3. Periode mit Vorsicht zu geniessen" ;-)

Dass Verbindungen mit Elektronen-Okte tt noch zusätzliche Bindungen eingehen ist hier nicht berücksichtigt. Die Formel ist nur für einfachere Moleküle anwendbar.
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0 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellAlex 2013-09-19 09:40
Hallo Pat,

Bitte entschuldige die späte Antwort, ich hatte viel um die Ohren.

Ich muss dazu denke ich noch einmal ein Video machen, in Textform ist das schwer zu erklären.
Beim Arsen hast du 5 Bindungspartner (bzw. Elektronenpaare ), die möglichst weit voneinander angeordnet werden müssen. 3 davon werden in eine Ebene "gepackt" und bilden ein Dreieck - so ist der Bindungswinkel 120°. die zwei übrigen Bindungspartner kommen an eher ungünstige Positionen, jeweils im 90°-Winkel zu denen in der Dreiecksfläche. Insgesamt ist dies der günstigste Körper bei 5 zu verteilenden Elektronenpaaren.

Beim Tellur hast du 5 Bindungelektron enpaare und ein freies EP (daher die Ladung). Bei den nun 6 zu verbauenden EP`s würde sich eine quadratisch-bip yramidale Struktur ergeben - hier betragen alle Bindungswinkel 90°. Das freie EP wird dann aber nicht mit zum entstehenden Körper dazu gezählt, damit entfällt eine Pyramidenspitze und man erhält eine Pyramide mit quadratischer Grundfläche.

Am besten mal mitzeichnen wenn es in reiner Textform zu schwierig wird oder ein Modell bauen: alteso.de/.../...

Ich versuch dazu eine kleine Serie abzufilmen, kann aber nicht sagen, wann ich die Zeit finde.

Wenn noch etwas unklar ist, frag gern nach!

Grüße,

alex
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-1 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellPat 2013-09-12 15:17
Hey,

sehr gutes Video.
Ich habe ein Beispiel und komme nicht auf die richtige Lösung vielleicht könntest du mir das nochmal hieran erklären.

Bsp.: AsF5 = Trigonal-Bipyra midal
TeF5- = Quadratisch-pyr amidal

wie komme ich hierbei auf diese Lösungen ?

Mfg
Pat
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0 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellAlex 2013-06-30 16:11
Hallo Betty,

Ja, klingt gut ;-) Ob ihr das nun tiefstellen müsst oder nicht, kann dir nur dein Lehrer beantworten, da das ein Lernschema ist. Tiefstellen würde Sinn machen, da dies bei "richtigen" chemischen Molekülen ja auch gemacht wird, ich kann dir aber leider nicht sagen, was er/sie dort lesen will.

Ist aber ne Kleinigkeit die nicht über richtig/ falsch entscheidet und sollte durch kurze Nachfrage zu lösen sein ;-)

Grüße und weiterhin viel Erfolg beim Lernen!

alex
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-1 # VSEPRBetty 2013-06-30 13:51
Ich soll gerade ein Arbeitsblatt zu dem Thema ausfüllen. In den Beispielen steht bei Ammoniak VSEPR: AX3E. Ich hab mir das jetzt so erklärt das AX die Anzahl der Bindungspartner ist und das E für das verbleibende freie Elektronenpaar steht. Ist das richtig? Wäre Wasser dann VSEPR: AX2E2? Müssen die Zahlen tiefgestellt werden (das hab ich hier nicht geschafft)?

Schonmal einen großen Dank an Alex für viele gute Videos die mich gerade beim lernen super unterstützen!
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+2 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellAlex 2013-01-10 19:29
Hallo Till,

Du stellst hier eigentlich eine Frage zur Valenzstrich- bzw. Lewisformel. Die dort vorgestellte Gleichung ist strenggenommen nur für die Elemente bis zur 2.Periode uneingeschränkt gültig.
Ab der 3. Periode können auch andere Orbitale an der Bindungsausbild ung beteiligt sein (Oktettaufweitu ng) - für die Struktur hier ist die Variante mit 3 gleichwertigen Bindungen aber das wichtigste - alle sind gleichlang und SO3 ist trigonal planar - ob das nun wirklich Doppelbindungen sind, oder wie bei Carbonation sich ergebende Mischtypen (wie im Wikipediaartike l zu Schwefeltrioxid ), ist für die 3D-Struktur egal - Experimentell zeigt sich, dass die Bindungslängen so kurz sind, dass es nur Doppelbindungen sein können:

books.google.de/.../

Dh. Unter Beachtung der vorgestellten Regeln kommt man zur "Wikipediaversi on", unter Beachtung der Bindungslängen (=Realität) sind es Doppelbindungen [im Monomer, also Einzelmolekül]
Ab der 3. Periode also bitte mit den "allgemeinen" Formeln aufpassen, auch das sind Modelle, die passen mal mehr, mal weniger...ab der 3. Periode zunehmend weniger...

Hilft dir das?

alex
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-1 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellTill 2013-01-10 19:12
guden
ich verstehe nicht ganz warum so3 12 Bindungselektro nen besitzt da laut der Regel 0xH + 8x4 (32) - (4x6=24) = 8 :2 = 4 Bindungselektro nen
S und O bilden jeweils 8-2=6 Kovalente Bindungen
6 kovalente Bindungen mit 4 Elektronenpaare hää? ;)
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0 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellAlex 2013-01-07 11:24
Was hättest du denn gern?
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0 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellSabrina 2012-12-31 15:00
Echt tolle Arbeit!
Vielen Dank!
Wäre toll wenn dieses Video noch weiter geführt wurde!
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+1 # RE: VSEPR-/ EPA-ModellLisa 2012-09-02 18:54
WOW!
Danke! das sid die Sachen, die ich schon seit Ewigkeiten versuche zu verstehen :)
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