Darstellung von Molekülen

Moleküle werden auf unterschiedliche Weise dargestellt. Neben Summenformeln veranschaulichen Strukturformeln und Modelle wie das Kugel-Stab-Modell die verknüpften Atome und die räumliche Anordnung der Verbindungen.

Arbeitsmittel

Grundlagen

Moleküle werden mit Summenformeln dargestellt. Diese geben die Anzahl der verknüpften Atome an. Beispielsweise verbinden sich bei Cl2 zwei Chlor-Atome und bei H2O zwei Wasserstoff-Atome (H) mit einem Sauerstoff-Atom (O).

Das Molekül Chlor.
Das Molekül Wasser.

Verbinden sich Atome über ein Elektronenpaar (wie bei H2), so liegt eine Einfachbindung vor. Manche Atome teilen sich mehr als ein Elektronenpaar, dadurch bilden sich Doppelbindungen (Zweifachbindungen; z. B. bei CO2) und Dreifachbindungen (z. B. bei N2).

Beispiele für Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen
Beachte
Eine Summenformel stellt die Anzahl der verknüpften Atome dar und macht keine Aussage über die Anzahl der geteilten Elektronenpaare. Beispielsweise liegt bei Stickstoff (N2) eine Dreifachbindung vor, bei Wasser (H2O) verknüpfen sich zwei Wasserstoff-Atome jeweils über eine Einfachbindung mit einem Sauerstoff-Atom.

Bindungswertigkeit

Die Bindungswertigkeit gibt an, wie viele Bindungen ein Atom innerhalb eines Moleküls eingeht. Da Wasserstoff ein Elektron besitzt und ihm nur ein Elektron zur vollen Besetzung der Schale fehlt, ist dieser einwertig (Wasserstoff geht nur eine Einfachbindung ein). D. h. Wasserstoff bildet ein Elektronenpaar mit einem anderen Nichtmetall.

Die Bindungswertigkeit der Nichtmetalle ab der 2. Periode kann wie folgt berechnet werden:
8 minus Anzahl der Außenelektronen
Nichtmetalle ab der 2. Periode
Gruppe im PSE 14 15 16 17
Außenelektronen 4 5 6 7
Bindungswertigkeit 4 3 2 1
Bezeichnung vierwertig dreiwertig zweiwertig einwertig

Lewis-Schreibweise

Mit der Lewis-Schreibweise werden die Außenelektronen dargestellt. Dabei wird das eine Außenelektron von Wasserstoff als Punkt geschrieben. Als Punkte dargestellte Elektronen sind ungebundene Elektronen, die ein Elektronenpaar mit einem anderen Nichtmetallatom bilden können – man spricht von bindenden Elektronen.

Wasserstoff hat 1 Außenelektron.
Stickstoff hat 5 Außenelektronen.
3 Elektronen sind ungepaart (bindend). Stickstoff kann daher
3 Bindungen eingehen.

Betrachte die Darstellung von Stickstoff (Abb. 5)! Du siehst, dass Stickstoff 3 bindende Elektronen aufweist, d.h. 3 Elektronenpaare mit anderen Atomen bilden kann. Der Strich steht für ein Elektronenpaar, das nicht an einer Bindung beteiligt ist. Man spricht daher von einem nichtbindenden (freien) Elektronenpaar.

Lerne nun am Beispiel Sauerstoff kennen, wie man vorgeht, um Elemente mit der Lewis-Schreibweise darzustellen!

Suche Sauerstoff im PSE.
Wie viele Außenelektronen hat ein Sauerstoff Atom?

Nun bist du dran! Zeichne Kohlenstoff (C), Phosphor (P), Fluor (F) und Neon (Ne) mit der Lewis-Schreibweise in deine Mappe!

Vergleiche mit diesen Darstellungen und wähle die jeweils richtige Schreibweise aus!

Strukturformeln

Strukturformeln zeigen, wie Atome in einem Molekül verknüpft sind. Mit Hilfe der Lewis-Schreibweise können diese entwickelt werden.

Merke dir: Zu einem bindenden Elektronenpaar trägt jedes Atom ein Elektron bei.

Betrachte folgende Abbildung! Die Wasserstoffatome nähern sich einander an, die bindenden Elektronen bilden ein Elektronenpaar. Im Molekül Wasserstoff wird das Elektronenpaar beiden Atomen zugerechnet!

Die Vorgehensweise zur Darstellung von Wasserstoff (H2) mit einer Strukturformel.
Kugel-Stab-Modell von Wasserstoff (H2)

Bei anderen Molekülen geht man gleich vor. Beispielsweise siehst du bei Kohlenstoffdioxid (CO2), dass Elementen ab der 2. Periode in einem Molekül 8 Außenelektronen zugerechnet werden. Bei Kohlenstoffdioxid (CO2) geht Kohlenstoff 4 Bindungen ein. Dabei ist das Kohlenstoffatom mit 2 Sauerstoffatomen, jeweils über eine Doppelbindung, verbunden.

Die Vorgehensweise zur Darstellung von Kohlenstoffdioxid (CO2) mit einer Strukturformel.
Kugel-Stab-Modell von Kohlenstoffdioxid (CO2)

Übe das Darstellen von Molekülen mit Strukturformeln, indem du Stickstoff (N2), Brom (Br2) und Fluorwasserstoff (HF) in deine Mappe zeichnest! Vergleiche mit diesen Darstellungen und wähle die richtigen Schreibweisen aus!

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Die Elektronenpaare ordnen sich mit dem größtmöglichen Abstand zueinander an. Dies führt zur räumlichen Anordnung der Moleküle. An der Strukturformel und am Kugel-Stab-Modell von Wasser erkennt man die gewinkelte Struktur.

Die gewinkelte Struktur von Wasser (H2O).
Kugel-Stab-Modell von Wasser (H2O)

Bei Ammoniak (NH3) wird die räumliche Struktur als pyramidal bezeichnet.

Die pyramidale Struktur von Ammoniak (NH3).
Kugel-Stab-Modell von Ammoniak (NH3)

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Isomerie

Je mehr Atome an einem Molekül beteiligt sind, umso mehr Kombinationsmöglichkeiten gibt es. Bei unterschiedlichen Verknüpfungen der gleichen Atome spricht man von Strukturisomerie. Zur eindeutigen Darstellung von Verknüpfungen innerhalb eines Moleküls helfen uns daher Strukturformeln.

Zwei Kohlestoffatom, ein Sauerstoffatom und sechs Wasserstoffatome.
Diese Atome können unterschiedlich verknüpft sein. Wie bei …
Strukturformel von Ethanol
… Ethanol oder …
Strukturformel von Dimethylether
… bei Dimethylether.

Wie du bei Ethanol (C2H5OH) und Dimethylether (CH3)2O sehen kannst, versucht man auch mit der Anordnung der Elementsymbole in einer Summenformel einen Hinweis auf die vorliegende Verbindung zu geben. Beispielsweise verweist die OH-Gruppe in Ethanol auf die Stoffklasse der Alkohole.

13. Darstellung von Molekülen
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