VSEPR-Modell

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

Modell für zwei und drei Elektronenpaare

Das Modell wurde von Ronald Gillespie und Ronald Nyholm entwickelt und wird deshalb auch Gillespie-Nyholm-Theorie genannt.

Die abgeleiteten Regeln

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

Die Elektronenpaare des Zentralatoms (A), das heißt das Atom 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 AX_nE_m 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.
Größere Elektronegativitätsdifferenzen zwischen A und X vermindern damit den Raumbedarf der entsprechenden Bindung.
Mehrfachbindungen beanspruchen mehr Raum als Einfachbindungen. Hierbei steigt der Platzbedarf mit der Bindungsordnung. Einzelne freie Elektronen in Radikalen nehmen hingegen weniger Raum ein als freie Elektronenpaare. Für die Bestimmung der groben Molekülstruktur werden jedoch nur die Sigma-Bindungen herangezogen. Das heißt, dass Mehrfachbindungen bei der Bestimmung der Struktur wie Einfachbindungen behandelt werden.
Kleinere Zentralatome bzw. größere negativ polarisierte Liganden bewirken eine starke sterische und elektronische Abstoßungskraft, die die eines freien Elektronenpaars übertreffen kann.

Vorhersagen nach VSEPR bei freien Elektronenpaaren am Zentralatom

Molekülstrukturen können recht einfach durch Abzählen der „Reste“ vorhergesagt werden, wenn keine freien Elektronenpaare am Zentralatom vorhanden sind. Dennoch lässt sich auch die näherungsweise Betrachtung von Verbindungen mit einem oder mehreren freien Elektronenpaaren schematisieren, indem freie Elektronenpaare wie Bindungspartner behandelt werden: Man gelangt hierüber zur Pseudostruktur(Ψ - Struktur, von Ψ, der Wellenfunktion der Elektronen) des jeweiligen Moleküls.

Das Sauerstoffatom des Wassermoleküls, an welches zwei Wasserstoffatome kovalent geknüpft sind, weist zwei freie Elektronenpaare auf. Dementsprechend ergibt sich aus $$ X=2 $$ (Wasserstoffatome) und $$ E=2 $$ (freie Elektronenpaare) $$ 2+2=4 $$ und somit eine tetraedrische Geometrie. Die Molekülgestalt selbst wird aber nur durch die Atomkerne beschrieben. Indem die freien Elektronenpaare nun „weggedacht“ werden, bleibt die Realstruktur zurück: gewinkelt.

#	Molekültypen ^*	Beispiel	Ψ - Struktur ^**	Realstruktur ^***	Winkel
1	AX₁	H₂	linear	linear	180°
2	AX₂	BeCl₂ CO₂	linear	linear	180°
2	AX₁E₁		linear	linear	180°
3	AX₃	BF₃ NO₃⁻ CO₃²⁻	trigonal planar	trigonal planar	120°
	AX₂E	SO₂ O₃ NO₂⁻	trigonal planar	gewinkelt	ca. 115°
	AX₁E₂		trigonal planar	linear	180°
4	AX₄	CH₄ SO₄²⁻ PO₄³⁻ ClO₄⁻	tetraedrisch	tetraedrisch	109,5°
	AX₃E	NH₃ PCl₃	tetraedrisch	trigonal-pyramidal	ca. 107°
	AX₂E₂	H₂O	tetraedrisch	gewinkelt	ca. 104°
	AX₁E₃	HCl	tetraedrisch	linear	180°
5	AX₅	PCl₅	trigonal-bipyramidal	trigonal-bipyramidal	120° / 90°
	AX₄E	SF₄	trigonal-bipyramidal	"Wippe", bisphenoidal	ca. 175° / 110°
	AX₃E₂	ClF₃	trigonal-bipyramidal	T-förmig	ca. 87,5°
	AX₂E₃	XeF₂	trigonal-bipyramidal	linear	180°
6	AX₆	SF₆	oktaedrisch (=quadratisch-bipyramidal, trigonal-antiprismatisch)	oktaedrisch (=quadratisch-bipyramidal, trigonal-antiprismatisch)	90°
	AX₅E	ClF₅	oktaedrisch (=quadratisch-bipyramidal, trigonal-antiprismatisch)	quadratisch-pyramidal	ca. 85°
	AX₄E₂	XeF₄	oktaedrisch (=quadratisch-bipyramidal, trigonal-antiprismatisch)	quadratisch-planar	90°
7	AX₇	IF₇	pentagonal-bipyramidal	pentagonal-bipyramidal	90° / 72°
	AX₆E	XeF₆	pentagonal-bipyramidal	pentagonal-pyramidal	ca. 90° / ca. 72°
	AX₅E₂	XeF₅⁻	pentagonal-bipyramidal	pentagonal-planar	72°
8	AX₈	IF₈⁻	tetragonal-antiprismatisch	tetragonal-antiprismatisch	78° / 73°

Anmerkungen:

^* Keilstrichformel mit Zentralatom: A, Liganden: X und Elektronenpaar: E

^** nicht gebundene Elektronenpaare (blass gelb) als gedachte Bindungspartner

^*** reale räumliche Anordnung der Atome

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 fallen auch schon bei einfachen Molekülen Valenzwinkel aus dem Rahmen, die nicht mit dem Modell übereinstimmen. Für Verbindungen mit delokalisierten Elektronen ist die Anwendung des Modells ebenfalls mit Schwierigkeiten verbunden, hier ist die Hinzuziehung der Molekülorbitaltheorie notwendig.

Literatur

Reinhart Ahlrichs: Gillespie‐ und Pauling‐Modell — ein Vergleich. In: Chemie in unserer Zeit. 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. 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

Wikibooks: Allgemeine und Anorganische Chemie/ Struktur von Molekülen – Lern- und Lehrmaterialien

Einzelnachweise

↑ Arnold Fr. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 101. Auflage. Gruyter, 1995, ISBN 3-11-012641-9, S. 136 und 315.

[1] Arnold Fr. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 101. Auflage. Gruyter, 1995, ISBN 3-11-012641-9, S. 136 und 315.

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