EPA-Modell – räumliche Struktur in Molekülen 06:54 min

Hallo! Heute wollen wir uns mit dem Elektronenpaar-Abstoßungs-Modell, kurz EPA-Modell, beschäftigen. Vielleicht hast du dich schon einmal gefragt, welche Geometrie Moleküle einnehmen können und warum bestimmte Formen für einige Moleküle typisch sind. Bisher hast du dich wahrscheinlich in der Schule nur mit Lewis-Formeln beschäftigt. Leider kann man dort nicht erkennen, welche Geometrie ein Molekül besitzt. Wir wollen dies heute mit dem EPA-Modell einmal näher erläutern. Sehen wir uns als erstes das Methanmolekül an. Methan besitzt die Summenformel CH4. Aber wie sieht die Strukturformel aus und welche Geometrie nimmt dieses Molekül ein?

Um die Geometrie des Moleküls zu ermitteln, hilft uns das EPA-Modell. Dieses taucht in Lehrbüchern auch oft als VSEPR-Modell auf, was einfach nur die Abkürzung des englischen Namen ist. An das Kohlenstoffatom sind vier Wasserstoffatome gebunden. Es befinden sich also 4 bindende Elektronenpaare am Kohlenstoffatom. Diese Elektronenpaare stoßen sich ab, sodass die Substituenten sich mit möglichst großen Abstand um das Kohlenstoffatom anordnen. Die entstehende Geometrie ist ein Tetraeder. Diesen typischen Tetreader des Methanmoleküls hast du ja vielleicht auch schon einmal gesehen. Im Molekül betragen somit alle Winkel 109,5 Grad. Diesen Winkel bezeichnet man auch als idealen Tetraeder-Winkel. Wir sehen uns nun als nächstes Beispiel Bortrifluorid an. Hier haben wir Bor als zentrales Atom umgeben von drei Fluoratomen. Wenn nun die Fluoratome den größtmöglichen Abstand zueinander einnehmen, erhalten wir eine trigonal-planare Struktur. Also sind die Fluoratome so angeordnet, als würden sie auf den Ecken eines ebenen Dreiecks sitzen. Die Bindungwinkel im Molekül betragen 120 Grad. Nun zu einem Beispiel, indem wir zwei Substituenten an einem Atom haben. Bei Berylliumchlorid befinden sich am Beryllium zwei Chlorsubstituenten. Wenn die Substituenten am weitesten voneinander entfernt sind, erhalten wir eine lineare Molekülgeometrie. Auch Beispiele für Verbindungen mit fünf oder sechs Substituenten lassen sich schnell finden.

Im Phosphorpentachlorid bilden die Chloratome um das Phosphoratom eine trigonal-bipyramidale Anordnung. Drei Chloratome bilden dabei eine trigonale Grundfläche und je ein Chloratom befindet sich in axialer Position über beziehungsweise unter der Ebene, wodurch die Bipyramide gebildet wird. Im Schwefelhexafluorid befinden sich am sechs Fluoratome am Schwefelatom. Der maximale Abstand zwischen den Atomen wird in einem Oktaeder erreicht. Die Substituenten ordnen sich also immer mit größt möglichen Abstand an.

Betrachten wir nun das Ammoniakmolekül. Es befinden sich drei Wasserstoffatome am Stickstoffatom, sodass sich eine trigonal planare Geometrie vermuten lässt. Wenn wir uns die Geometrie dann aber anschauen, stellen wir fest, dass das Molekül nicht planar ist, sondern trigonal pyramidal. Aber warum?

Du hast ja gelernt, dass die Abstoßung der Elektronenpaare der Grund für die Anordnung der Substituenten ist. Nun stoßen sich aber nicht nur bindende Elektronenpaare ab, sondern auch freie. Am Stickstoffatom im Ammoniak befindet sich neben den drei bindenen Elektronenpaaren auch ein freies. Insgesamt befinden sich also vier Elektronenpaare rund um den Stickstoff. Das freie Elektronenpaar wird zur Ermittlung der Geometrie einfach wie ein Substituent behandelt. Vier Substituenten ergäben also eine tetraedrische Geometrie. Da real aber nur drei Substituenten am Stickstoff gebunden sind, ergibt sich allerdings kein Tetraeder, sondern eine trigonale Pyramide. Als nächstes Beispiel das Wassermolekül. Am Sauerstoff hängen zwei Wasserstoffatome, aber wie du ja sicher weißt, ist das Wassermolekül nicht linear, sondern gewinkelt. Grund dafür sind wieder die freien Elektronenpaare am Sauerstoff. Neben den zwei bindenden Elektronenpaare haben wir zwei freie Elektronenpaare, sodass sich wieder eine tetraedrische Geometrie ergibt Sieht man sich dann das Molekül ohne die freien Eektronenpaare an, ergibt sich die gewinkelte Geometrie, die wir vom Wassermolekül kennen.

Freie Elektronenpaare benötigen allerdings immer etwas mehr Platz als gebundene Substituenten. Deshalb weichen die Winkel im Ammoniak-Molekül und im Wassermolekül auch etwas vom idealen Tetraederwinkel von 109,5 grad ab. Wenn freie Elektronenpaare mehr Platz brauchen, werden die Winkel natürlich kleiner, sodass im Ammoniak Bindungswinkel von 107 grad zu finden sind und im Wassermolekül Winkel von 104 grad.

Du hast heute gelernt, wie du die räumliche Form von Molekülen mit Hilfe des EPA-Modells bestimmen kannst. Du weißt nun auch, dass du die freie Elektronenpaare berücksichtigen musst, da sich diese ebenfalls abstoßen und Einfluss auf den Bindungswinkel nehmen. Wir haben ebenfalls besprochen, dass die Substituenten immer den größtmöglichen Abstand zueinander einnehmen und daraus die Molekülgeometrie resultiert. Tschüß und bis bald!