VSEPR-Modell

Das VSEPR-Modell (Abkürzung für englisch valence shell electron pair repulsion, deutsch Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßung), auch EPA-Modell (Elektronenpaarabstoßungs-Modell) oder ursprünglich VEPR-Theorie (englisch valence electron pair repulsion theory), führt die räumliche Gestalt eines Moleküls auf die abstoßenden Kräfte zwischen den Elektronenpaaren der Valenzschale zurück.

VSEPR-Modelle
für zwei und drei Elektronenpaare
Fünf gleich geladene Partikel bewegen sich (auf der neutralen Sphäre) von verschiedenen Startpositionen zu den optimalen Positionen mit maximalem Abstand voneinander.

Das Modell wird nach seinen Entwicklern auch Gillespie-Nyholm-Theorie genannt.

Die abgeleiteten Regeln

Aus dem VSEPR-Modell ergeben sich folgende Regeln für Moleküle des Typs AXn:[1]

  • Die Elektronenpaare der Valenzschale des Zentralatoms (A), d. h. des Atoms im Zentrum des Moleküls, ordnen sich so an, dass der Abstand zwischen ihnen möglichst groß wird.
  • Die freien Elektronenpaare (hier mit E symbolisiert) in einem Molekül vom Typ AXnEm beanspruchen mehr Raum als die bindenden Elektronenpaare und führen somit zu einer Vergrößerung der Winkel X-A-E und einer Verkleinerung der Winkel X-A-X.
  • Einzelne freie Elektronen in Radikalen nehmen weniger Raum ein als freie Elektronenpaare.
  • Größere Elektronegativitäts­differenzen zwischen A und X vermindern damit den Raumbedarf der entsprechenden Bindung.
  • Mehrfachbindungen beanspruchen mehr Raum als Einfachbindungen, wobei der Platzbedarf mit der Bindungsordnung steigt.
Für die Bestimmung der groben Molekülstruktur werden jedoch nur die Sigma-Bindungen herangezogen, d. h., Mehrfachbindungen werden hier wie Einfachbindungen behandelt.
  • Kleinere Zentralatome bzw. größere negativ polarisierte Liganden bewirken eine starke sterische und elektronische Abstoßungskraft, die die eines freien Elektronenpaars übertreffen kann.

Vorhersagen bei freien Elektronenpaaren am Zentralatom

Wenn keine freien Elektronenpaare am Zentralatom vorhanden sind, können Molekülstrukturen recht einfach durch Abzählen der „Reste“ vorhergesagt werden.

Dennoch lässt sich auch die Betrachtung von Verbindungen mit einem oder mehreren stereochemisch aktiven, freien Elektronenpaaren näherungsweise schematisieren. Dazu werden diese – ähnlich wie Bindungspartner – als Pseudoliganden behandelt und mit dem griechischen Buchstaben „ψ“ gekennzeichnet. So gelangt man zur Pseudostruktur des jeweiligen Moleküls.

Beispiel: Das Sauerstoffatom des Wassermoleküls, an welches zwei Wasserstoffatome kovalent gebunden sind (X = 2), weist zwei freie Elektronenpaare auf (E = 2). Daraus ergibt sich eine Anzahl von # = 2 + 2 = 4 Pseudoliganden und somit eine tetraedrische Pseudostruktur (Strukturtyp), die als ψ2-Tetraeder beschrieben werden kann. Indem nun die freien Elektronenpaare „weggedacht“ werden, bleibt die in diesem Fall gewinkelte Realstruktur (Molekülstruktur) zurück, die nur durch die Atomkerne beschrieben wird.

Ein Beispiel für ein ψ1-Tetraeder, d. h. mit nur einem freien Elektronenpaar, ist das Ammoniak-Molekül NH3.

#MolekültypenaBeispielΨ – Struktur / PseudostrukturbRealstrukturcWinkeld
1AX1E0-2D.png
AX1
H2AX1E0-3D-balls.png
linear
AX1E0-3D-balls.png
linear
2AX2E0-2D.png
AX2
BeCl2
CO2
AX2E0-3D-balls.png
linear
Linear-3D-balls.png
linear
180°
AX1E1-2D.png
AX1E1
COAX1E1-3D-balls.png
linear
AX1E0-3D-balls.png
linear
3AX3E0-side-2D.png
AX3
BF3
NO3
CO32−
AX3E0-3D-balls.png
trigonal planar
Trigonal-3D-balls.png
trigonal planar
120°
AX2E1-2D.png
AX2E
SO2
O3
NO2
AX2E1-3D-balls.png
trigonal planar
Bent-3D-balls.png
gewinkelt
ca. 115°
AX1E2-2D.png
AX1E2
AX1E2-3D-balls.png
trigonal planar
AX1E0-3D-balls.png
linear
4AX4E0-2D.png
AX4
CH4
SO42− PO43−
ClO4
AX4E0-3D-balls.png
tetraedrisch
Tetrahedral-3D-balls.png
tetraedrisch
109,5°
AX3E1-2D.png
AX3E
NH3
PCl3
AX3E1-3D-balls.png
tetraedrisch
Pyramidal-3D-balls.png
trigonal-pyramidal
ca. 107°
AX2E2-2D.png
AX2E2
H2OAX2E2-3D-balls.png
tetraedrisch
Bent-3D-balls.png
gewinkelt
ca. 104°
AX1E3-2D.png
AX1E3
HClAX1E3-3D-balls.png
tetraedrisch
AX1E0-3D-balls.png
linear
5AX5E0-2D.png
AX5
PCl5Trigonal-bipyramidal-3D-balls.png
trigonal-bipyramidal
Trigonal-bipyramidal-3D-balls.png
trigonal-bipyramidal
120° / 90°
AX4E1-2D.png
AX4E
SF4, SCl4AX4E1-3D-balls.png
trigonal-bipyramidal
Seesaw-3D-balls.png
"Wippe", bisphenoidal
ca. 175° / 110°
AX3E2-2D.png
AX3E2
ClF3AX3E2-3D-balls.png
trigonal-bipyramidal
T-shaped-3D-balls.png
T-förmig
ca. 87,5°
AX2E3-2D.png
AX2E3
XeF2AX2E3-3D-balls.png
trigonal-bipyramidal
Linear-3D-balls.png
linear
180°
6AX6E0-2D.png
AX6
SF6AX6E0-3D-balls.png
oktaedrisch (=quadratisch-bipyramidal,
trigonal-antiprismatisch)
Octahedral-3D-balls.png
oktaedrisch (=quadratisch-bipyramidal,
trigonal-antiprismatisch)
90°
AX5E1-2D.png
AX5E
ClF5AX5E1-3D-balls.png
oktaedrisch (=quadratisch-bipyramidal,
trigonal-antiprismatisch)
Square-pyramidal-3D-balls.png
quadratisch-pyramidal
ca. 85°
AX4E2-2D.png
AX4E2
XeF4AX4E2-3D-balls.png
oktaedrisch (=quadratisch-bipyramidal,
trigonal-antiprismatisch)
Square-planar-3D-balls.png
quadratisch-planar
90°
7AX7E0-2D.png
AX7
IF7AX7E0-3D-balls.png
pentagonal-bipyramidal
Pentagonal-bipyramidal-3D-balls.png
pentagonal-bipyramidal
90° / 72°
AX6E1-2D.png
AX6E
[XeOF5]AX6E1-3D-balls.png
pentagonal-bipyramidal
Pentagonal-pyramidal-3D-balls.png
pentagonal-pyramidal
ca. 90° / ca. 72°
AX5E2-2D.png
AX5E2
XeF5AX5E2-3D-balls.png
pentagonal-bipyramidal
Pentagonal-planar-3D-balls.png
pentagonal-planar
72°
8AX8IF8AX8E0-3D-balls.png

tetragonal-antiprismatisch

Square-antiprismatic-3D-balls.png

tetragonal-antiprismatisch

78° / 73°

Anmerkungen:

a Keilstrichformel mit Zentralatom: A, Liganden: X und Elektronenpaar: E
b nicht gebundene Elektronenpaare (blass gelb) als gedachte Bindungspartner
c reale räumliche Anordnung der Atome
d Winkel zwischen Liganden und Zentralatom X–A–X

Grenzen der Anwendbarkeit

Das VSEPR-Modell lässt sich auf Moleküle anwenden, bei denen die an das Zentralatom gebundenen Reste (Atome oder Atomgruppen) nicht allzu groß werden und keine spezifischen Wechselwirkungen aufeinander ausüben.

Nicht oder nur eingeschränkt anwendbar ist sie auf Übergangsmetall­verbindungen. Vielfach stimmen jedoch auch bei einfachen Molekülen die Bindungswinkel nicht mit dem Modell überein. Für Verbindungen mit delokalisierten Elektronen kann die Anwendung des Modells ebenfalls mit Schwierigkeiten verbunden sein, hier ist die Hinzuziehung der Molekülorbitaltheorie notwendig.

Literatur

  • Reinhart Ahlrichs: Gillespie‐ und Pauling‐Modell — ein Vergleich. In: Chemie in unserer Zeit. Band 14, Nr. 1, 1980, S. 18–24, doi:10.1002/ciuz.19800140104.
  • Ronald J. Gillespie, Edward A. Robinson: Models of molecular geometry. In: Chemical Society Reviews. Band 34, Nr. 5, 2005, S. 396–407, doi:10.1039/B405359C.
  • R. J. Gillespie, I. Hargittai: The VSEPR Model of Molecular Geometry. 8. Aufl., Allyn & Bacon, Boston 1991, ISBN 978-0-205-12369-8.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 101. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9, S. 136.

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Kugeln position2.gif
Fünf gleich geladene Partikel bewegen sich (auf einer neutralen Sphäre) von verschiedenen Startpositionen zu den optimalen Positionen mit maximalem Abstand voneinander.
Square-antiprismatic-3D-balls.png

Ball-and-stick model of a generic molecule with square antiprismatic coordination geometry.

Colour code:

central atom, A: pink
ligands, X: white
Structure and image generated in Accelrys DS Visualizer.
AX8E0-3D-balls.png

Ball-and-stick model of a generic molecule AX8E0 (from VSEPR theory) with a square antiprismatic coordination geometry.

Colour code:

central atom, A: pink
ligands, X: white
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AX5E2-3D-balls.png

Ball-and-stick model of a generic molecule AX5E2 (from VSEPR theory) with a pentagonal planar coordination geometry.

Colour code:

central atom, A: pink
ligands, X: white
lone pairs, E: pale yellow
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AX5E2-2D.png
Pentagonal planar molecular geometry vsepr
VSEPR 2 3.png
(c) Talos, CC-BY-SA-3.0
VSEPR Modell für 2 und 3 Elektronenpaare. Selbst gezeichnet mit Inkscape von Talos 20:48, 18. Dez 2005 (CET).
Pentagonal-planar-3D-balls.png

Ball-and-stick model of a generic molecule with pentagonal planar coordination geometry.

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central atom, A: pink
ligands, X: white
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