Warum sind manch Moleküle gewinkelt (z.B.H2O) und andere nicht (z.b.CO2)?

Welche Geometrie ein bestimmtes Molekül bzw die Verbindungen von einem bestimmten Stoff haben (da gibt es neben linear und gewinkelt noch viele andere - tetraedrisch, trigonal planar, trigonal-bipyramidal.....), hängt, einfach gesagt, mit der Wertigkeit des (zentralen) Atoms, also der Anzahl der Außenelektronen und mit dem Bindungspartner zusammen. Und alles basiert darauf, dass Elektronen sich immer abstoßen, das heißt, dass Elektronenpaare immer so weit wie möglich voneinander entfernt sein wollen, also der Winkel zwischen ihnen so groß wie möglich sein soll.

Kohlenstoff macht sehr gerne tetraedrische Verbindungen (die einfachste ist Methan), da es vier Außenelektronen und somit vierbindig ist. Dann hat der Kohlenstoff keine freien Elektronenpaare mehr, der Winkel zwischen allen vier Bindungen (in Methan wären das 4 Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen) ist gleich dem Tetraederwinkel von 109,5 Grad. Dann haben die Bindungen und somit die Elektronen den größtmöglichen Abstand zueinander, was am günstigsten ist.

Sauerstoff, als zentrales Atom im Wassermolekül, ist idR zweibindig und hat dann noch zwei freie Elektronenpaare "übrig". Eigentlich würde sich hier also auch wieder ein Bindungswinkel von 109,5 Grad ergeben, da, wie beim Kohlenstoff, vier Elektronenwolken (2 Bindungen, zwei freie Elektronenpaare) vom Zentralatom ausgehen. Nun ist es aber so, dass freie Elektronenpaare mehr Platz brauchen/wollen, deshalb schieben sie die Sauerstoff-Wasserstoff-Bindungen zusammen und der Bindungswinkel der beiden Bindungen wird etwas kleiner - 104,5 Grad.

Bindungswinkeltechnisch das Zwischending zwischen Methan (0 freie Elektronenpaare - 109,5 Grad) und Wasser (2 freie Elektronenpaare - 104,5 Grad) ist der Ammoniak mit einem freien Elektronenpaar am Stickstoff. Auch das "schiebt" die Bindungselektronen der Stickstoff-Wasserstoff-Bindungen zusammen, sodass wir hier auch keinen Tetraederwinkel haben, sondern 107,8 Grad.

Beim Kohlenstoffdioxid schaut es nochmal etwas anders aus - der Kohlenstoff als Zentralatom hat hier nur zwei Bindungen, aber Doppelbindungen, und keine freien Elektronenpaare. Und wie können sich die beiden Doppelbindungen anordnen, um den größtmöglichen Abstand zueinander zu erreichen? - Genau, in einem Bindungswinkel von 180 Grad.

Wenn du es genauer wissen willst - das Ganze nennt man "VSEPR-Modell", "valence shell electron pair repulsion" (Valenzelektronenpaarabstoßung).

Eine kleine Bemerkung noch - dieses Modell greift nur, wenn die Bindungspartner des Zentralatoms nicht zu groß sind. Hängt da nämlich ein oder mehrere große, elektronenreiche Reste dann, gibt es da wieder Wechselwirkungen, die sich auf die Bindungsgeometrie auswirken können.

Stell dir eine Kugel vor, auf deren Oberfläche gleichmäßig verteilt vier kleinere Kugeln sitzen. Das entspricht einem Kohlenstoff-Atom mit seinen vier Bindungselektronen. Diese vier kleinen Kugeln müssen zwangsläufig ein Tetraeder bilden. Anders lassen sich die kleinen Kugeln nicht gleichmäßig verteilen. An dieses Atom werden jetzt zwei Sauerstoffatome jeweils mit einer Doppelbindung gebunden. Die Bindungselektronen (kleine Kugeln) versuchen weiterhin möglichst weit voneinander entfernt zu bleiben, obwohl sie jetzt durch die Bindung paarweise nah zusammengezogen werden. Um möglichst weit voneinander entfernt zu bleiben müssen sich die beiden Gruppen genau gegenüber auf der Kugeloberfläche befinden. Dadurch ergibt sich automatisch eine lineare Molekülform.

Beim Wasser ist das im Prinzip genau so. Hier werden die Wasserstoffatome aber nicht durch eine Doppel- sondern durch eine Einfachbindung "angeklebt". Wenn du an jeweils ein Eck des Tetraeders ein H-Atom anbringst ergibt sich unweigerlich eine gewinkelte Form. Eine Darstellung eines linearen H2O-Moleküls funktioniert zwar in der Lewis-Schreibweise, macht aber dreidimensional keinen Sinn.

Vergleich das mal mit diesem Bild: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Caltrop.jpg#/media/File:Caltrop.jpg

Es ist nicht anders möglich. Das Sauerstoffatom im Wasser hat natürlich keine vier offenen Bindungen, sondern nur zwei. Aber du kannst dir vorstellen, dass einfach zwei der vier Tetraeder-Ecken zwar da sind, aber nicht für eine Bindung zur Verfügung stehen.