1 · Wie viele Elektronenbereiche zählt eine Doppelbindung im EPA-Modell?
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Einen Bereich, weil die Elektronendichte in eine gemeinsame Bindungsrichtung weist.
Chemie · Grundlagen · Sekundarstufe I
Molekülgeometrie und Elektronenpaarabstoßungsmodell
Warum ist Wasser geknickt und Methan räumlich aufgebaut? Leite die Gestalt kleiner Moleküle aus ihrer Lewis-Formel ab und unterscheide die Anordnung der Elektronenbereiche von der Anordnung der Atome.
Von der Formel zur Form
Lewis → Bereiche → Gestalt
Eine Mehrfachbindung zählt als ein Bereich.
Freie Paare beeinflussen die Form ebenfalls.
Elektronenbereiche benötigen Platz
Eine Lewis-Formel zeigt, welche Atome verbunden sind und wo freie Elektronenpaare liegen. Auf dem Papier lässt sie sich aber auf verschiedene Arten anordnen. Daraus folgt noch nicht, dass das echte Molekül dieselbe flache Form besitzt. Moleküle sind räumliche Gebilde mit charakteristischen Bindungswinkeln.
Das Elektronenpaarabstoßungsmodell, kurz EPA oder VSEPR, hilft beim Vorhersagen einfacher Molekülformen. Die Grundidee lautet: Bereiche hoher Elektronendichte um ein Zentralatom ordnen sich möglichst weit voneinander entfernt an. So wird ihre gegenseitige Abstoßung verringert.
Ein Elektronenbereich kann eine Einfachbindung, eine Doppelbindung, eine Dreifachbindung oder ein freies Elektronenpaar sein. Mehrfachbindungen enthalten zwar mehr Elektronen, weisen aber in eine gemeinsame Raumrichtung und zählen für die Grundanordnung jeweils als ein Bereich.
Vergleichen und entdecken
CO₂: Zwei Doppelbindungen ergeben zwei Elektronenbereiche am C. Ohne freies Paar am C ordnen sie sich gegenüber an. Die freien Paare an den äußeren O-Atomen sind in dieser Formskizze ausgelassen.
So zählst du die Bereiche richtig
Suche zuerst das Zentralatom und zeichne eine vollständige Lewis-Formel. Zähle dann die Bindungsrichtungen und die freien Elektronenpaare an genau diesem Atom. Freie Paare an äußeren Atomen werden bei dieser zentralen Zählung nicht hinzuaddiert.
Bei CO₂ ist C das Zentralatom. Zwei Doppelbindungen ergeben zwei Bereiche; freie Paare besitzt das C in dieser Lewis-Formel nicht. Bei H₂O ist O zentral. Zwei O–H-Bindungen und zwei freie Paare ergeben vier Bereiche.
Die Anzahl der Bereiche ist deshalb weder automatisch die Anzahl der Bindungsstriche noch die Anzahl der Nachbaratome. Bei CO₂ siehst du vier Bindungsstriche, zählst aber zwei Bereiche. Bei Wasser gibt es zwei Nachbaratome, aber vier Bereiche.
Zwei, drei oder vier Bereiche
Zwei Bereiche ordnen sich gegenüber an: Die Grundanordnung ist linear, der Winkel beträgt 180°. Das passt zu CO₂, weil am C keine freien Paare vorhanden sind.
Drei Bereiche liegen in der idealen Grundanordnung in einer Ebene mit Winkeln von 120°. Man nennt dies trigonal-planar. Ein Beispiel für die Anordnung am Zentralatom ist das C in Methanal H₂C=O: zwei Einfachbindungen und eine Doppelbindung. Unterschiedliche Bindungen können die idealen Winkel etwas verändern.
Vier Bereiche ordnen sich annähernd tetraedrisch an. Ein Tetraeder ist eine dreiseitige Pyramide mit vier Ecken. Das Zentralatom liegt im Inneren; die vier Bereiche zeigen in Richtung der Ecken. Für gleichartige Bindungen wie in Methan beträgt der Winkel etwa 109,5°.
Bei fünf oder sechs Bereichen treten weitere Grundanordnungen auf. Diese Seite konzentriert sich auf die besonders häufigen Einstiegsfälle mit zwei bis vier Bereichen. Das Modell ist eine Näherung; es berechnet keine beliebigen Molekülstrukturen oder exakten Winkel aus einer einzigen Regel.
Wasser Schritt für Schritt bestimmen
1. Lewis-Formel zeichnen: H₂O hat insgesamt acht Valenzelektronen. Zwei Bindungspaare verbinden O mit den beiden H-Atomen; am O bleiben zwei freie Paare.
2. Elektronenbereiche zählen: Zwei Bindungen plus zwei freie Paare ergeben vier Bereiche um O. Die Grundanordnung der Bereiche ist annähernd tetraedrisch.
3. Molekülform benennen: Für die Molekülgestalt beschreibst du die Positionen der Atome. Die beiden freien Paare sind keine zusätzlichen Atome. Weil nur zwei Ecken durch H-Atome besetzt sind, lautet die Molekülform gewinkelt.
4. Winkel einordnen: Freie Paare beanspruchen in diesem Modell mehr Raum in der Nähe des Zentralatoms als bindende Paare. Sie beeinflussen deshalb den Winkel zwischen den Bindungen. Für Wasser beträgt er etwa 104,5° und ist damit kleiner als der ideale Tetraederwinkel. Die genaue Zahl wird nicht allein durch das Abzählen berechnet.
Methan, Ammoniak und Wasser vergleichen
Alle drei Moleküle haben am Zentralatom vier Elektronenbereiche. Trotzdem unterscheiden sich ihre Molekülformen: Methan hat vier Bindungen und kein freies Paar, Ammoniak drei Bindungen und ein freies Paar, Wasser zwei Bindungen und zwei freie Paare.
Bei Methan stimmen die Namen der Bereichsanordnung und der Molekülgestalt überein: tetraedrisch. Bei Ammoniak bleibt die Bereichsanordnung annähernd tetraedrisch, die Atomanordnung heißt dagegen trigonal-pyramidal. Bei Wasser ist die Atomanordnung gewinkelt.
„Vier Bereiche bedeuten immer vier gebundene Atome“ ist daher falsch. Prüfe stets, welche Bereiche zu Bindungen gehören und welche freie Paare sind. Genau diese Unterscheidung macht aus einem auswendig gelernten Bild ein nachvollziehbares Verfahren.
Keilstrichformeln lesen
Ein gewöhnlicher Bindungsstrich liegt in der Zeichenebene. Ein ausgefüllter Keil zeigt eine Bindung, die aus der Ebene zum Betrachter weist; das breite Ende liegt vorn. Eine schraffierte Keilbindung weist hinter die Ebene. Die Breite ist eine Darstellungshilfe und keine zusätzliche Bindungsordnung.
Deshalb kannst du den räumlichen Bindungswinkel nicht mit dem Geodreieck an einer beliebigen Keilstrichprojektion messen. Die Abbildung übersetzt drei Dimensionen in zwei. Dreht man dasselbe Molekül, ändern sich die gezeichneten Richtungen, aber seine räumliche Gestalt bleibt erhalten.
Unterrichtsimpuls: vier Bereiche, drei Formen
Wechsle zwischen CH₄, NH₃ und H₂O. Lass jeweils zuerst die Zahl aller Bereiche nennen und danach getrennt die Zahl der gebundenen Atome. Frage abschließend: „Warum hat Wasser keine tetraedrische Atomanordnung?“ Die Antwort sollte ausdrücklich die zwei freien Elektronenpaare berücksichtigen.
Sechs Aufgaben zum Selbstcheck
Erst selbst lösen, dann die Lösung öffnen.
2 · Wie viele Bereiche liegen um C in CO₂?
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Zwei: je eine Doppelbindung zu jedem O-Atom.
3 · Welche Form hat CH₄?
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Tetraedrisch mit H–C–H-Winkeln von ungefähr 109,5°.
4 · Warum ist NH₃ nicht trigonal-planar?
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Am N gibt es neben drei Bindungen ein freies Paar, insgesamt vier Bereiche. Die Atomanordnung ist trigonal-pyramidal.
5 · Wie viele freie Paare besitzt O in H₂O?
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Zwei. Zusammen mit zwei Bindungen ergeben sie vier Bereiche.
6 · Kann man den echten Tetraederwinkel an jeder Keilstrichzeichnung direkt messen?
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Nein. Die Zeichnung ist eine zweidimensionale Projektion der räumlichen Anordnung.
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