Molekular gebaute Stoffe

Ein Bild kann uns viele Informationen liefern. Das Bild der Holzklötze (Abb. 1.1) zeigt uns zum Beispiel die Anzahl und die Anordnung der Holzklötze. Allerdings ist in dem Bild nicht zu sehen, wie hoch sie sind. Sind sie alle gleich hoch oder nicht? In einem dreidimensionalen Modell können diese Informationen hingegen dargestellt werden (Abb. 1.2).

Schauen wir uns ein Molekül aus drei Atomen an: das Kohlenstoffdioxid-Molekül (Abb. 3.1). Das Kohlenstoff-Atom in der Mitte nennen wir Zentral-Atom. An dieses sind zwei Sauerstoff-Atome mit je einer Doppelbindung gebunden. Das Zentral-Atom hat also zwei Bindungspartner. Die Elektronenpaarbindungen stoßen sich gegenseitig ab.  Der größte Abstand wird erreicht, wenn die beiden Bindungspartner gegenüber voneinander an das Zentral-Atom gebunden sind. Der Winkel zwischen den Bindungspartnern beträgt somit 180° (Abb. 3.2). Das Molekül ist also linear. 

Schauen wir uns als nächstes das Methanal-Molekül an (Abb. 4.1). Dieses Molekül hat ein Kohlenstoff-Atom als Zentral-Atom, an das zwei Wasserstoff-Atome mit je einer Einfachbindung und ein Sauerstoff-Atom mit einer Doppelbindung gebunden sind. Das Zentral-Atom hat also drei Bindungspartner Auch hier stoßen sich die Elektronenpaarbindungen wieder gegenseitig ab. Der größtmögliche Abstand wird erreicht, wenn die Bindungspartner ein ebenes Dreieck bilden (Abb. 4.2). Die Struktur nennt man trigonal planar (trigonal = dreieckig, planar = eben). Der Winkel zwischen den Bindungen ist je 120° groß. 

Als Letztes schauen wir uns noch ein Molekül mit noch einem Atom mehr an: das Methan-Molekül (Abb. 5.1). Es hat ein Kohlenstoff-Atom als Zentral-Atom, an das vier Wasserstoff-Atome mit je einer Einfachbindung gebunden sind. Das Zentral-Atom hat also vier Bindungspartner. Die Elektronenpaarbindungen stoßen sich wieder gegenseitig ab. Der größtmögliche Abstand entsteht in einem sogenannten Tetraeder (Abb. 5.2). Der Winkel zwischen allen Bindungen liegt jeweils bei 109,5°. 

Es gibt auch Moleküle die neben bindenden Elektronenpaaren auch nichtbindende haben. Diese stoßen sich genauso von anderen Elektronenpaaren ab, wie bindenden. Die nichtbindenden Elektronenpaare beeinflussen den räumlichen Bau somit auch. Schauen wir uns dazu das Wasser-Molekül an (Abb. 6.1). Das Zentral-Atom hat zwei Bindungspartner, aber auch zwei nichtbindende Elektronenpaare. Insgesamt sind also vier sich gegenseitig abstoßende Elektronenpaare am Zentral-Atom. Bei vier sich gegenseitig abstoßenden Elektronenpaaren ergibt sich eine tetraedrische Elektronengeometrie (Abb. 6.2). Für die Molekülgeometrie werden aber nur die am Zentral-Atom gebundene Atome betrachtet. Wir müssen uns aus dem Tetraeder also zwei Ecken wegdenken. Es ergibt sich eine gewinkelte Struktur. Der Winkel zwischen den beiden bindenden Elektronenpaaren liegt aber nicht bei 109,5° wie in einem Tetraeder, sondern bei 104,5°. Das liegt daran, dass die bindenden Elektronenpaare jeweils von den beiden positiv geladenen Atomkernen des Wasserstoff-Atoms und des Sauerstoff-Atoms angezogen werden. Die nichtbindenden Elektronenpaare werden hingegen nur von einem positiv geladenen Atomkern, nämlich von dem des Sauerstoff-Atoms, angezogen. Daher beanspruchen nichtbindende Elektronenpaare mehr Raum, als bindende. Die bindenden Elektronenpaare im Wasser-Molekül werden dadurch etwas zusammengedrückt und dadurch der Winkel dazwischen etwas kleiner.