Frage von keyken2, 69

Woher weiß man, wie Moleküle angeordnet sind?

Hallo, wie im Titel schon steht, möcte ich gerne wissen, woher ich weiß, wie ich bestimmte chemische Moleküle in einer Zeichnung korrekt anordnen muss. Wenn ich nach der Oktettregel gehe und dann die Lewisformel anwende kann ich zwar theoretisch ein Molekül zeichnen, praktisch weiß ich aber nicht, wie die einzelnen Atome zueinander stehen... :/ Ich mache mal ein Beispiel, wenn ich CO2 zeichne, würde ich es, so wie ich es halt weiß, einfach in einer Reihe zeichnen, sprich C--O-O, korrekterweise zeichnet man CO2 natürlich so: O--C--O, aber woher weiß man das, warum werde die einzelnen Atome so angeordnet? Kann man das überhaupt herausfidnen, ohne Zusatzwissen zu haben, oder muss man die strukturelle Anordnung einfach auswendig lernen?

Ich hoffe meine Fragestellung ist klar geworden, woher weiß ich, wie ich die Bestandteile eines Moleküls anordnen muss?

Also, ich hoffe, mir kann jemand helfen, würde mich wirklich weiterbringen! :)

Expertenantwort
von indiachinacook, Community-Experte für Chemie, 35

Deine Frage scheint zu lauten: Wenn ich eine Summen­formel habe, wie kann ich dann heraus­finden, welche Atome mit welchen in welcher Reihen­folge ver­bun­den sind, wie also die Topo­logie des Moleküls bzw. seine Struktur­formel ist?

Die Antwort ist, daß das prinzipiell nicht geht. Es gibt nämlich Moleküle mit gleicher Summen­formel und verschiedener Struktur — das sind dann ganz unter­­schied­­liche Stoffe, denen man es niemals ansehen würde, daß sie sich ihre  Summen­formel teilen.

Dieses Phänomen (Isomerie) kommt in der Organischen Chemie praktisch stünd­lich vor, in der An­organi­schen Chemie ist es seltener — da muß man schon relativ tief graben, um ein schönes Beispiel zu finden. Am­monium­azid (NH₄)N₃ und Tetrazen HN–N=N–NH₂ haben z.B. beide die Formel N₄H₄.

In der Anorganischen Chemie kann man also sehr häufig die topo­logische Struk­tur, d.h. die Struktur­formel, eines Moleküls aus der Summ­en­formel voraus­sagen. Die dazu ver­wende­ten Regeln sind erstaunlich einfach.

Erstens braucht man die Oktettregel, wobei Atome ab der zweiten Achter­periode auch zehn oder zwölf oder sogar vier­zehn Elektronen haben kön­nen. Ver­bindun­gen mit weni­ger als acht Außen­elektro­nen für ein Atom sind bei Bor die Regel, bei anderen Elementen aber selten bis extrem selten.

Zweitens muß man noch wissen, daß schwere Atome be­vor­zugt im Zentrum eines Moleküls hocken und sich von leic­hten, elektro­nega­ti­ven Atomen um­geben lassen wollen. Wenn mehrere davon in einem Atom vor­kom­men, dann sind die ge­wöhn­lich nicht direkt an­einan­der ge­bun­den, sondern über O-Brücken oder Ähn­liches verbunden. Auch Wasser­stoff ist gewöhnlich über OH-Gruppen angehängt.

Mit diesen simplen Regeln solltest Du Vögel wie N₂O₅, CO₂, H₂SO₄, SOCl₂, SO₃, HClO₄, H₃PO₄ oder POCl₃ hinkriegen — Phosphon­säure H₃PO₃ hat etwas über­raschend eine P–H-Bin­dung, und wenn Du das weißt sollte es auch gehen.

Wenn Ringe oder so Zeug auftreten (S₄N₄, P₄O₁₀), dann muß man die Struktur kennen, sonst hat man kaum eine Chance.

Kommentar von keyken2 ,

Vielen Dank, sehr hilfreiche Antwort, eigentlich genau das, wonach ich gesicht habe! :)

Antwort
von Hooks, 43

C--O-O geht überhaupt nicht, weil die Bindungsfähigkeit des O zwei leere Plätze hat und die des C 4 (nicht richtig ausgedrückt,. aber mir fällt gerade das richtige nicht ein). 

Das findest Du in der Hauptgruppe. HG 6 hat zwei Valenzen, also 6 Außenelektronen, da fehlen zwei (8 ist die Edelgaskonfiguration, reagiert träge, ist stabil). Es geht also immer nur -O- oder =O, wenn Du ein nach außen elektrisch neutrales Molekül haben willst.

C hat immer 4 Bindungen. O=C=O, sonst entstehen instabile (Ver-)Bindungen.

O-O
 \   /
  O

Das ist Ozon, O3, zerfällt schnell.

O2 geht so: O=O

Ganz ohne Vorwissen geht es nicht, aber es ist schon eine große Hilfe, wenn Du im PSE nachschaust, in welcher Hauptgruppe ein Element steht.

http://www.chemie-interaktiv.net/html\_flash/pse2.swf

http://www.chemie-interaktiv.net/mol\_bsp1.htm

Kommentar von keyken2 ,

Vielen Dank, das hilft mir wirklich weiter, macht ja auch Sinn so! :)

Kommentar von indiachinacook ,


O-O
  \ /
  O

Das ist Ozon, O3, zerfällt schnell.

Ozon zerfällt nicht von selbst, sondern reagiert gerne mit allem möglichen (und zerfällt bei Bestrahlung mit Licht). Aber es gibt eine Menge instabilerer Moleküle.

Das größere Problem ist aber die angegebene Strukturformel. Die sieht nämlich so aus als ob es sich um ein gleichseitiges Dreieck handeln würde, mit 60° Bindungswinkel. Und das paßt überhaupt nicht zum realen Ozon. O₃ ist ähnlich wie H₂O gebaut, also ein stumpf­winkeli­ges Dreieck — aller­dings mit noch stumpferem Winkel am mittleren Atom, sage&schreibe 117°.

Ein gleichseitiges Dreieck könnte kein Dipolmoment haben, Ozon hat aber ein ziemlich großes, fast 30% des Dipolmoments von Wasser IIRC.

Kommentar von Hooks ,

Danke für die Info.

Jetzt wäre es nur noch interessant zu wissen, warum ein Molekül aus 3 gleichen Atomen solch schiefen Winkel bildet.

Klar, damit es einen Dipol bildet. Aber wie kommt das?

Kommentar von indiachinacook ,

Das Warum läßt sich nur fast tautologisch beantworten: Weil es so stabiler ist. Warum es stabiler ist sieht man erst, wenn man die Schrödingergleichung löst und es einfach so rauskommt. Oder, wenn man ein reales O₃-Molekül in die Hand nimmt und feststellt, daß es ein Dipol­moment hat.

(Es gibt übrigens einen angeregten Zustand von O₃, in dem die Atome wirklich wie in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet sind. Als angeregter Zustand ist dieses Ding aber instabil und kann nicht in Flaschen abgefüllt werden).

Kommentar von Hooks ,

Ich habe es nur vom Ozon irgendwo oben in der ...sphäre gelesen, und daß O2 eben die stabilere Form ist.

Dort ist ja dann notgedrungen auch Licht, das es instabil macht, wie Du oben schriebst.

Kommentar von ThomasJNewton ,

Zumindest hintert die Instabilität von Dreiecks-Ozon 3sat-nano nicht, es genau so darzustellen.

Da muss man sich eigentlich über gar nichts mehr wundern.

Antwort
von JolleHD, 34

Ich übernehme mal dein Beispiel mit CO2. Alle Atome in einem Molekül müssen die OktettRegel erfüllen (d.h. die Außenschale eines Atoms muss voll besetzt sein.)                     Bei O-C-O haben alle Atome 8 außen Elektronen. 

Beispiel des Atoms C:

Kohlenstoff hat von Anfang an 6 außenelektronen (sieht man im Periodensystem) wenn sich C jetzt mit zwei Os verbindet hat es 8.

               _                                                              O - C - O                                                               -

Wie du siehst hat das C 8 außenelektronen (jeder strich sind 2 elektronen) (die Os habe ich nicht gemacht, weil das hier am Handy zu lange dauert ☺

Kommentar von keyken2 ,

Ist das tatsächlich eine feststehende Regel. dass jedes Atom 8 Valenzelektronen haben MUSS? :)
Das ist etwas, von dem ich noch nichts wusste, würde mir aber auf jeden Fall helfen, ich dachte immer, die Atome "wollen" 8 Außenelektronen haben, wenn es halt geht...Danke für deine Antwort! :)

Kommentar von Hooks ,

Tja, was heißt Regel.

Alles Ding auf dieser Erde ist danach bestrebt, den geringsten Energiezustand einzunehmen. (das spricht übrigens gegen die [Makro-] Evolution)

Der geringste Energiezustand ist nunmal die Edelgaskonfiguration.

Und weil das nicht immer hinhaut, teilen sich die benachbarten Atome in einem Molekül eine Elektronenwolke, dadurch entsteht ja erst die feste Bindung.

Bei Metallen sieht das anders aus.

Kommentar von keyken2 ,

Ja, die geteilten Elektronen waren etwas, auf das ich nicht so schnell gekommen bin, wenn ich mich nicht irre (und dann korrigier' mich bitte) sind das die kovalenten Bindungen...

Danke! :)

Kommentar von indiachinacook ,

Kohlenstoff hat von Anfang an 6 außenelektronen

Das ist falsch, und was danach kommt, wirkt auf mich auch ziemlich wirr.

Kohlenstoff hat 4 Außenelektronen, und Sauerstoff deren 6. Wenn ein Atom eine chemische Bindung eingeht, dann zählt das Bin­dungs­elektronen­paar ganz, aber das Atom bringt ge­wöhn­lich nur ein Elektron für die Bindung auf, also gewinnt jeder Bindungs­partner netto ein Elektron.

Deshalb will Kohlenstoff vier Bindungen eingehen, und Sauerstoff zwei.  Da zu einer Bindung immer zwei gehören und wir nicht damit rechnen, daß im CO₂ eine O–O-Bindung auftritt, können wir uns das ganz einfach stückweise überlegen:

Der Kohlenstoff will vier Bindungen. Ein O-Atom macht aber nur zwei, danach ist es glück­lich und der Kohlen­stoff ist nur halb­glück­lich, denn er hat noch zwei Bin­dungs­wünsche offen. Also nimmt er sich noch einen zweiten O-Partner, macht mit dem auch zwei Bin­dun­gen, und dann ist jeder in dieser ménage à trois zufrieden.

(Warum ein CO auch stabil ist, kriegt man mit dieser Abzähl­methode nicht erklärt. Im CO-Molekül wird ein ganzes Bindungs­paar von nur einem Partner, dem O, gestellt. Der O widmet einfach eines seiner einsamen Paare zu einem Bindungs­paar um. Vom Stand­punkt der Oktett­regel bedeutet das, daß der O nichts verliert aber der C gleich zwei Elektronen gewinnt)

Antwort
von Bevarian, 28

Über die Anordnung von Molekülen in einem Kristall gibt die Röntgenstrukturbeugung Auskunft...

Kommentar von keyken2 ,

Ja, von der Röntgenstrukturbeugung habe ich schon gehört, wenn ich ich nicht irre, dann gibt diese Methode ja die genaue Anordnung an, also in 3D und mit Winkelgrößen.
So genau wollte ich nicht zeichnen, ist aber auch nicht weniger interesannt, vielen Dank! :)

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