Elektronenpaarabstoßungs-Modell

Das EPA-Modell (Elektronenpaarabstoßungsmodell) oder VSEPR-Modell (VSEPR ist die Abkürzung für Valence shell electron pair repulsion, deutsch Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßung) 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 folgende Regeln:

• In Molekülen des Typs AX_n ordnen sich die Elektronenpaare in der Valenz-Energiestufe des Zentralatoms (A) 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.
• Freie Elektronenpaare treten nur in äußersten Grenzfällen in 90°-Winkeln miteinander in Wechselwirkung. Nach Möglichkeit wird stets ein großer Abstand mehrerer freier Elektronenpaare zueinander gewählt.
• Elektronegative Substituenten ziehen bindende Elektronenpaare stärker an sich heran und vermindern damit deren Raumbedarf.
• Mehrfachbindungen werden wie ein übergroßes Elektronenpaar gewertet und beanspruchen somit mehr Raum als Einfachbindungen. Hierbei steigt der Platzbedarf mit der Bindungsordnung. Einzelne freie Elektronen in Radikalen nehmen hingegen weniger Raum ein als freie Elektronenpaare.
• Der Winkel zwischen den Elektronenpaaren mit geringerem Platzbedarf wird durch die Anwesenheit von Elektronenpaaren mit größerem Platzbedarf verkleinert. So ist beispielsweise der H-C-H-Winkel in Formaldehyd (H₂C=O) kleiner als der H-C-H-Winkel in Methan (CH₄).

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 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 (H-Atome) und E = 2 (freie e-Paare) 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	Pseudostruktur **	Realstruktur ***	Winkel
1	AX1	H2	linear	linear	180°
2	AX2	BeCl2 CO2	linear	linear	180°
	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. 95°
	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	?
	AX5E2	XeF5−	pentagonal-bipyramidal	pentagonal-planar	?
8	AX8	IF8−	tetragonal-antiprismatisch	tetragonal-antiprismatisch	78° / 73°

^* 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.

Literatur

• Ronald J. Gillespie, Edward A. Robinson: Models of molecular geometry Chem. Soc. Rev., 2005, 34, 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 978-0205123698.

Weblinks