VSEPR: Valence Shell Electron Pair Repulsion

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Typische Aufgabe zum VSEPR-Modell

Typische Aufgabe zum VSEPR-Modell: "Geben Sie a) die Lewis-Formel, b) die Molekülstruktur und c) die ungefähren Bindungswinkel der Verbindungen  BrF₅.....in einer Skizze an." Umso mehr Verbindungen abgefragt werden, desto besser. Geht alles nach Schema F. 

zu a) Lewis-Formel

• An ein Brom-Atom sind fünf Fluor-Atome gebunden. Dass in diesem Beispiel nur Einfachbindungen in Frage kommen ist klar. Unklar ist manchmal, wieviele freie Elektronenpaare das Zentralatom hat. Die freien Elektronenpaare sind für die VSEPR-Strukturbestimmung wichtig. 
• Die Oktettregel gilt nur streng für die zweite Periode!
• Das Zentralatom hat n Valenzelektronen. n ist die Gruppennummer, also hier n=7.
  
  Zählt man die Valenzelektronen (jedes bindende Elektronenpaar zur Hälfte) kommt man auf 5 Elektronen. Um auf 7 Valenzelektronen zu kommen muss ein freies Eleketronenpaar hinzugefügt werden. ----> n=7.
• Bei Ionen funktioniert es genauso, man berücksichtigt allerdings meistens am Zentralatom die Gesamtladung: Beispiel IF₆ ^-(einfach negativ geladen, das Minus in der Grafik ist leider nicht richtig zu erkennen!)
  
  Wäre das Molekül neutral, wären am Zentralatom wie beim Brompentafluorid sieben Valenzelektronen. Hier sind es 8. 8 - Gruppennummer (7) = 1. -> Eine Ladung übrig. Die Liganden haben meistens ein Oktett. Beim VSEPR-Modell geht es geht nur um die freien Elektronenpaare des Zentralatoms.
  
• Vorsicht Falle: Radikale haben einzelne Elektronen, die nicht als Elektronenpaar vorkommen. Solche Verbindungen sollte man kennen. Typische Beispiele:
  
  Dem nächsten Abschnitt vorweggenommen: Molekülgeometrie von NO: linear, bzw. pseudo-trigonal planar.

zu b) Molekülgeometrie nach VSEPR

Übersicht zur Anordnung von Liganden und freien Elektronenpaaren

Folgende Möglichkeiten die Liganden und freien Elektronenpaare um das Zentralatom anzuordnen gibt es. Diese muss man auswendig kennen.

Quelle der Abbildung: Riedel .

zur besseren Lesbarkeit der Beschriftungen: 

Lineare Anordnung AB und AB2 Alle zweiatomigen Moleküle und Ionen AB sind linear, was auch sonst.  Zwei Liganden an einem Zentralatom haben bei 180° Bindungswinkel den größtmöglichen Abstand voneinander. Beispiel: BeCl2, CO2 Trigonal-planare Anordnung AB3 Beim Bortrifluorid wird der Abstand zwischen drei Bindungspartnern mit jeweils 120° erreicht. Bortrifluorid erfüllt die Oktettregel.  Der Stickstoff in Nitrit hat ein freies Elektronenpaar, sonst käme er nicht auf fünf Valenzelektronen. Die negative Ladung ist an einem der Sauerstoffatome (eines hat 6, das andere 7 freie Elektronenpaare). Welches ist egal. Man kann mesomere Grenzstrukturen angeben: Bei Nitrit wird manchmal auch von einem gewinkelten Ion gesprochen, da man freie Elektronenpaare i.d.R. nicht beobachten kann. Vgl. Pseudostruktur.
Tetraeder AB4 Ammoniak (NH3): Molekülstruktur: trigonal-planar.
Trigonale Bipyramide AB5 Für Atome ab einschließlich der dritten Periode sind mehr als vier Elektronenpaare auf der Außenschale möglich. So auch beim Schwefel. Die Oktettregel gilt nur für die 2. Periode streng. Beim Schwefel(IV)-fluorid sind nicht alle Bindungswinkel gleich: die äquatorialen Bindungen liegen in einer Ebene und haben 120° Bindungswinkel zueinander. die beiden axialen Bindungen ragen nach oben und unten aus der Ebene heraus und stehen im rechten Winkel dazu. für das freie Elektronenpaar gibt es jetzt zwei Anordnungsmöglichkeiten: axial (a) oder äquatorial (b)?  axial (a): drei bindende Elektronenpaare im 90° Winkel entfernt.  ein bindendes Elektronenpaar im 180° Winkel entfernt. äquatorial (b): drei bindende Elektronenpaare im 120° Winkel entfernt zwei bindende Elektronenpaare im 90° Winkel entfernt Wenn man jetzt nur zur Veranschaulichung die Winkel addiert, kommt man bei a) auf 450°, bei b) auf 540°. Bei b) sind die Abstände also insgesamt größer. b) entspricht der tatsächlichen Struktur. In trigonal bipyramidalen Strukturen bevorzugen freie Elektronenpaare äquatoriale Positionen! Valenzwinkel in der äquatorialen Ebene betragen 120°, Winkel zu den Pyramidenspitzen nur 90°! Hinweis: Die Anordnung quadratische Pyramide kommt in den üblichen Klausuraufgabe nicht vor. Wenn AB5, dann die trigonale Bipyramide. Beispiele für die Anordnung "quadratisch-pyramidal": SbPh5, InCl52-, Mg(OPMe3)52+. Die Spitzenposition "apical" in der quadratischen Pyramide ist nicht mit den vier Positionen an den Basisecken äquivalent.
Oktaeder AB6 Hier sind im Gegensatz zur trigonalen Bipyramide wieder alle Bindungswinkel gleich groß, nämlich 90°. Ein Elektronenpaar kann eine beliebige Position einnehmen, die Atome sind dann quadratisch-pyramidal angeordnet. Sind zwei Elektronenpaare vorhanden, ordnen sie sich in trans-Position, also gegenüber, an. Die übrigen Atome sind quadratisch-planar angeordnet.
Pentagonal-bipyramidal AB7 Die anderen unten genannten Vertreter sind in Klausuren unüblich. Riedel erwähnt sie nicht. Wenn überhaupt, dann vielleicht das Xenonhexafluorid. mehrere Möglichkeiten für AB7 Für AB7 gibt es drei Möglichkeiten:  Iodheptafluorid (IF7): pentagonal-bipyramidal Xenonhexafluorid (XeF6): einfach überkappte oktaedrische Struktur aus der englischen Wikipedia: According to Konrad Seppelt, the Associate Professor of Chemistry at the University of Heidelberg, "the structure is best described in terms of a mobile electron pair that moves over the faces and edges of the octahedron and thus distorts it in a dynamic manner." Heptafluoro-niobat(V)-Anion (NbF7 2-): einfach überkapptes trigonales Prisma Einfach überkappt heißt, dass sich ein weiteres Atom über einer der Polyederflächen befindet.

Pseudostruktur?

Die Pseudostruktur einer Verbindung ergibt sich direkt aus der Lewisformel. Als Pseudostruktur wird die Struktur bezeichnet, die man unter Berücksichtigung der freien Elektronenpaare des Zentralatoms erhält (sogenannte "Pseudosubstituenten"). Beispiel: Brom in Brompentafluorid hat fünf Fluor-Liganden und einfreies Elektronenpaar. Die Verbindung gehört zum AB5E-Typ, hat also mit dem freien Elektronenpaar sechs Liganden und ist deshalb pseudo-oktaedrisch ("pseudo AB6"). 

Anordnung von freien Elektronenpaaren zusammengefasst

• In der trigonalen Bipyramide sind die Valenzwinkelin der äquatorialen Ebene 120° und Winkel zur Pyramidenspitze 90°. Äquatoriale Positionen deshalb bevorzugt.
• In oktaedrischen Strukturen AB4E2 besetzen die beiden Elektronenpaare trans-Positionen, liegen sich also gegenüber.

zu c) ungefähre Bindungswinkel

Allgemeine Beispiele

Schwefel(IV)-fluorid

Grenzen des VSEPR-Modells und Kritik am VSEPR-Modell

• Das Modell ist nur für Hauptgruppenelemente "geeignet". 
• Für Radikale, Dreielektronenbindungen und Verbindungen vom AX ₆E-Typ liefert es falsche Vorhersagen! Beispiel: BrF₆^-, SeX₆^2- und TeX₆^2- mit X = Cl, Br, I sollten verzerrt oktaedrische Struktur haben, bilden aber tatsächlich reguläre Oktaeder. Das nichtbindende Elektronenpaar ist ohne Einfluss!
• Die weit verbreitete Behandlung im Chemieunterricht wird kritisiert.
•  Das VSEPR-Modell setzt Äquivalenz der Elektronenpaare voraus.
• Das Modell beschreibt nicht die wirkliche Elektronendichteverteilung. In Mehrzentrenbindungen kann ein Elektronenpaar auch für Bindungen zu zwei Substituenten verantwortlich sein. Beispiel: XeF₂ und SF₆. 
• Sauerstoff enthält zwei ungepaarte Elektronen und ist paramagnetisch.

Typische Klausur-Beispiele (unsortiert)

Eine umfangreiche Tabelle mit typischenVerbindungen und Strukturen (allerdings ohne Lewis-Formel) befindet sich im Hollemann Wiberg auf einer Seite (auch gut zum Kopieren)! Empfehlenswert, auch zum Üben.

Verbindung	Valenzstrichformel	Molekülstruktur	Pseudostruktur	Bemerkung
ClF3		AB3: T-förmig	AB3E2: pseudo-trigonal bipyramidal	-
BF3		AB3: trigonal-planar	AB3: trigonal-planar	Hier hat dasZentralatom keine freien Elektronenpaare, also ist Real- und Pseudostruktur identisch.
PF3		AB3: trigonal-planar	AB3E: pseudo-tetraedrisch	-
ClO3-		AB3: trigonal-pyramidal	AB3E: pseudo-tetraedrisch	-
SO3		AB3: trigonal-planar	AB3: trigonal-planar	-
CO32-		AB3: trigonal-planar	AB3: trigonal-planar	-
BrF3		AB3: T-förmig	AB3E2: pseudo-trigonal-bipyramidal	-
IF5		AB5: quadratische Pyramide	AB5E: pseudo-Oktaeder	freies Elektronenpaar axial. BrF5 als Beispiel für AB5E aus dem Riedel:
PF5		AB5: trigonale Bipyramide	AB5: trigonale Bipyramide	-
NF3		AB3: trigonal Pyramidal	AB3E: pseudo-Tetraeder	-
PF6-		AB6: Oktaeder	AB6: Oktaeder
ClO2-		AB2: linear	AB2E2: pseudo-Tetraeder

Quellen: Wikipedia, Riedel, Binnewies

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