Molekülgeometrie

Bedeutung der Molekülgeometrie

Molekülstruktur oder Molekülgeometrie bezeichnet die geometrische, räumliche relative Anordnung der Atome in einem Molekül. Sie ist wichtig, weil sie Eigenschaften eines Moleküls maßgeblich bestimmt, zum Beispiel sein elektrisches Dipolmoment.

Beschrieben wird die Struktur entweder über die räumlichen Positionen der Atome oder über Größen innerhalb des Moleküls. Dazu zählen Bindungslängen, Bindungswinkel und gegebenenfalls Diederwinkel. Bindungswinkel geben den Winkel zwischen zwei Bindungen an einem Atom an; Diederwinkel beschreiben die räumliche Lage zweier Ebenen zueinander.

Beschreibung und Bestimmung

Für die Angabe der Atompositionen werden meist kartesische Koordinaten verwendet, also die Koordinaten x, y und z. Alternativ nutzt man interne Koordinaten: Bindungslängen, Bindungswinkel und gegebenenfalls Diederwinkel.

Moleküle können aufgrund von Symmetrien in 32 Punktgruppen zusammengefasst werden. Die Bezeichnung erfolgt typischerweise mit der nach Arthur Schoenflies benannten Schoenflies-Symbolik.

Experimentell lässt sich eine Molekülstruktur durch Kristallstrukturanalyse oder Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) ermitteln. Bei kleinen Molekülen aus wenigen Atomen kann sie auch mit Methoden der Theoretischen Chemie berechnet werden. Das VSEPR-Modell ermöglicht eine ungefähre Abschätzung der Struktur.

Typische Formen nach sterischer Zahl

Die Form hängt von der Zahl der Atome am Zentralatom und der Zahl freier Elektronenpaare ab. Die Tabelle unterscheidet hierfür die sterische Zahl und nennt ideale Bindungswinkel sowie teils gemessene Winkel in Klammern.

Bei sterischer Zahl 2 ist ein Molekül mit zwei Atomen am Zentralatom linear: CO₂ hat einen Bindungswinkel von 180°. Bei sterischer Zahl 3 ist BF₃ trigonal-planar mit 120°. Sind zwei Atome und ein freies Elektronenpaar vorhanden, ist die Form gewinkelt; für SO₂ sind 120° ideal und 119° angegeben.

Bei sterischer Zahl 4 ist CH₄ tetraedrisch mit 109,5°. NH₃ ist mit drei Atomen und einem freien Elektronenpaar trigonal-pyramidal; ideal sind 109,5°, angegeben sind 107,8°. H₂O besitzt zwei Atome und zwei freie Elektronenpaare und ist gewinkelt: ideal 109,5°, angegeben 104,48°.

Bei sterischer Zahl 5 ist PCl₅ trigonal-bipyramidal mit Winkeln von 90° und 120°. SF₄ ist wippenartig: axial–axial 180° (173,1°), äquatorial–äquatorial 120° (101,6°) und axial–äquatorial 90°. ClF₃ ist T-förmig mit 90° (87,5°) und 180° (175°); XeF₂ ist trotz sterischer Zahl 5 linear mit 180°.

Bei sterischer Zahl 6 ist SF₆ oktaedrisch mit 90° und 180°. BrF₅ ist quadratisch-pyramidal mit 90° (84,8°), XeF₄ quadratisch-planar mit 90° und 180°.

Bei sterischer Zahl 7 ist IF₇ pentagonal-bipyramidal mit 90°, 72° und 180°. XeOF₅⁻ ist pentagonal-pyramidal mit 72°, 90° und 144°; XeF₅⁻ ist pentagonal-planar mit 72° und 144°. Für sterische Zahl 8 nennt die Tabelle XeF₈²⁻ als quadratisch-antiprismatisch, für sterische Zahl 9 ReH₉²⁻ als tricapped trigonal-prismatisch; Bindungswinkel sind hierfür nicht angegeben.