Elektronenpaarabstoßung: der stabilste Winkel

Vorwissen: Elektronenpaare, Valenzstrichformel. Methan, Ammoniak und Wasser haben je vier Elektronenpaare um das Zentralatom, aber unterschiedlich viele freie Elektronenpaare. Stelle den Winkel ein und finde heraus, bei welchem Winkel jedes Molekül am stabilsten ist.

Beobachten und deuten

Die Moleküle erscheinen in ihrer stabilsten Form mit den Elektronenpaaren (blau: bindend, rosa: frei). Wie viele bindende und freie Elektronenpaare hat das Zentralatom von Methan, Ammoniak und Wasser? Lies jeweils den Winkel ab.
Vergleiche ein freies Elektronenpaar mit einem bindenden: Wo sitzt es, wie groß ist es? Nutze auch die Tabelle unten.
Schalte „Winkel verändern“ ein und verändere den Winkel in beide Richtungen. Was passiert mit der Energie? Warum ist der Winkel der stabilsten Form der richtige? Trage den Winkel mit der kleinsten Energie in die Tabelle ein.
Erkläre mit dem Elektronenpaarabstoßungsmodell, warum der Winkel von Methan über Ammoniak zu Wasser kleiner wird.

Molekül

Winkel verändern

Aus: stabilste Form mit Elektronenpaaren. An: Winkel frei einstellen.

Winkel H–X–H

Ganze Kurve zeigen

Elektronenpaare

bindendes Elektronenpaarfreies Elektronenpaar

Ansicht Dreht sich langsam

Ergebnisse

Molekül	Bindende Paare	Freie Paare	Stabilster Winkel

Antworten zeigen

Wie viel Platz braucht ein Elektronenpaar?

Molekül	Elektronenpaar	Abstand des Schwerpunkts vom Zentralatom	Größe	Platz um das Zentralatom (Größe ÷ Abstand)

Modell und Grenzen

Die Energien sind mit der Quantenchemie berechnet (Psi4, Methode MP2, Basis aug-cc-pVTZ): Für jeden Winkel sind die Bindungslängen so eingestellt, dass die Energie am kleinsten ist. Gezeigt ist, um wie viel die Energie über der des stabilsten Winkels liegt. Die stabilsten Winkel der Rechnung (109,5°, 107,0°, 104,3°) stimmen mit den gemessenen (109,5°, 106,7°, 104,5°) gut überein.
Der Winkel wird für alle unteren H-Atome gleichzeitig verändert. Beim Methan bleibt das obere H-Atom senkrecht über dem C-Atom; beim Ammoniak sitzt dort das freie Elektronenpaar. Bei 120° liegen die drei unteren H-Atome mit dem Zentralatom in einer Ebene.
Die Elektronenpaare sind „lokalisierte Orbitale“ (Verfahren nach Boys, B3LYP/cc-pVTZ): Die berechnete Elektronenwolke wird so in Paare zerlegt, dass jedes Paar möglichst eng beisammen ist. Gezeigt ist der Bereich, in dem sich die Elektronen des Paares am wahrscheinlichsten aufhalten. Die Paare sind nur für den stabilsten Winkel berechnet.
„Abstand“ ist der Abstand des Schwerpunkts des Elektronenpaares vom Kern des Zentralatoms, „Größe“ die mittlere Ausdehnung des Paares um seinen Schwerpunkt. Ein freies Elektronenpaar sitzt näher am Kern und ist mindestens so ausgedehnt; vom Zentralatom aus gesehen nimmt es deshalb etwa doppelt so viel Raum ein wie ein bindendes Paar.
Die inneren Elektronen (1s) sind nicht gezeichnet. Die Rechnungen lassen sich mit den Skripten unter scripts/vsepr wiederholen.
Wie das gerechnet und gezeichnet ist, steht ausführlich unter Methoden.