Simulation: Molekülgeometrie

Das Elektronenpaarabstoßungs-Modell

Das EPA-Modell sagt die räumliche Gestalt eines Moleküls voraus – allein aus der Zahl der Elektronenpaare am Zentralatom. Mehr braucht es nicht: keine Rechnung, keine Messung. Das deutsche Kürzel EPA steht für Elektronenpaarabstoßung, das international gebräuchliche VSEPR für Valence Shell Electron Pair Repulsion. Beide bezeichnen dasselbe Modell, 1957 von Ronald Gillespie und Ronald Nyholm formuliert.

1  Der Grundgedanke

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

2  Gezählt werden Bereiche, nicht Paare

Ein Elektronenpaar-Bereich ist alles, was von einer Stelle des Zentralatoms ausgeht: eine Einfachbindung, eine Doppelbindung, eine Dreifachbindung oder ein freies Elektronenpaar. Entscheidend ist: Eine Mehrfachbindung zählt als ein Bereich, denn ihre Elektronenpaare zeigen alle in dieselbe Richtung.

Das CO₂-Molekül hat deshalb zwei Bereiche, obwohl das C-Atom vier bindende Elektronenpaare trägt. Das Ethin-Molekül hat an jedem C-Atom ebenfalls zwei Bereiche – eine Einfach- und eine Dreifachbindung.

3  Freie Elektronenpaare brauchen mehr Raum

Ein bindendes Elektronenpaar wird von zwei Atomkernen angezogen und liegt schlank zwischen ihnen. Ein freies Paar gehört nur zu einem Kern und breitet sich weiter aus. Es drängt die Bindungen stärker zur Seite, als diese einander drängen.

Deshalb sinkt der Winkel mit jedem freien Paar: 109,5° beim Methan-Molekül, 107° beim Ammoniak-Molekül mit einem freien Paar, 104,5° beim Wasser-Molekül mit zweien.

4  Die Grundformen im Überblick

Die Gestalt beschreibt immer nur die Lage der Atome. Beim Wasser-Molekül sind vier Bereiche tetraedrisch angeordnet – sichtbar sind aber nur die beiden Bindungen, und die stehen gewinkelt.

5  Wenn die Werte abweichen

Das Modell sagt die Gestalt zuverlässig voraus, den genauen Winkel nur ungefähr. Drei Einflüsse verschieben ihn:

• Größe des Zentralatoms. Beim H₂S-Molekül sitzen die H-Atome weiter entfernt, die Bindungspaare stoßen einander schwächer ab: 92° statt 104,5°. Ebenso beim PH₃-Molekül mit 93°.
• Elektronegativität der Partner. Beim NF₃-Molekül ziehen die F-Atome die Bindungselektronen zu sich; die Bindungspaare sitzen weiter vom N-Atom entfernt und stoßen einander schwächer ab – 102° statt 107°.
• Doppelbindungen beanspruchen etwas mehr Raum als Einfachbindungen. Beim Methanal-Molekül beträgt der H–C–H-Winkel deshalb nur etwa 116°, der H–C=O-Winkel dagegen etwa 122°.

6  Grenzformeln bei SO₂, SO₃ und Ozon

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

7  Was das Modell nicht leistet

Das EPA-Modell trifft keine Aussage über Bindungslängen, Bindungsstärken oder Farben. Es erklärt auch nicht, warum Elektronenpaare sich abstoßen – dafür braucht es Orbitalmodelle. Es ist ein Abzählmodell: Bereiche zählen, Gestalt ablesen. Gerade darin liegt seine Stärke.

Zur Darstellung in dieser Simulation

Im 3D-Modell sind nur die freien Elektronenpaare des Zentralatoms als Doppelpunkt eingezeichnet. Freie Paare an den äußeren Atomen – etwa an den O-Atomen des CO₂-Moleküls – beeinflussen die Gestalt nicht und bleiben deshalb weg. Das Modell lässt sich mit gedrückter Maustaste oder einem Finger drehen und mit dem Mausrad beziehungsweise zwei Fingern vergrößern. Die Lupe oben rechts öffnet die Vollflächen-Ansicht; Drehung, Zoom und die Anzeige der freien Paare bleiben dort bedienbar. Der Knopf „Rotation“ stellt Blickwinkel und Größe wieder her.