Zwei einzelne Wasserstoff-Atome bilden ein Wasserstoff-Molekül:

Schalenmodell	Kugelschalenmodell
	H2

Zwei einzelnde Sauerstoff-Atome bilden ein Sauerstoff-Molekül:

Schalenmodell	Kugelschalenmodell
	O2

Das Sauerstoff-Atom besitzt zwei Schalen. Nur die äußerste Schale (Valenzschale) spielt bei chemischen Reaktionen eine Rolle.

Jedes Sauerstoff-Atom versucht durch gemeinsame Benutzung der äußeren Elektronen (Valenzelektronen) eine voll besetzte Außenschale (Edelgaskonfiguration) zu erhalten.

Wenn zwei Sauerstoff-Atome je zwei Elektronen des anderen mit benutzen, dann stehen jedem Sauerstoff-Atom acht Außenelektronen zur Verfügung. Auf die zweite (und dritte) Schale eines Atoms eines Hauptgruppenelementes haben bis zu acht Elektronen Platz (Oktettregel). Durch gemeinsame Benutzung von Elektronen erhalten beide Sauerstoff-Atome die Edelgaskonfiguration.

Anmerkung:

Beim Schalenmodell wurden die inneren Elektronen grau gezeichnet, weil sich bei einer chemischen Reaktion auf den inneren Schalen nichts verändert.

Weitere Beispiele (Kugelschalenmodell, Lewis-Formel)

 

1. Eine Kugelwolke, die mit zwei Elektronen besetzt ist (in den Abbildungen dunkelblau), ist stabiler, als eine, die nur ein Elektron besitzt (in den Abbildungen hellblau).
   
   
2. Einfach besetzte Kugelwolken eines Atoms haben die Tendenz sich mit anderen einfach besetzten Kugelwolken eines anderen Atoms zu vereinigen.
   
   
3. Die daraus sich ergebene Kugelwolke wird oval gezeichnet und wird im Folgenden Bindungswolke genannt.
   
   
4. In der Valenzstrich-Formel-Schreibweise nach Lewis werden Bindungselektronen und die restlichen Valenzelektronen durch Striche (zwei Elektronen) und Punkte (ein Elektron) dargestellt. Diese Schreibweise entspricht der Strukturformelschreibweise.

Bindung zwischen Nichtmetall-Atomen - Atombindungen

Bildung eines Wasserstoff-Moleküls durch eine Bindungswolke:

Das Bestreben ein Wasserstoff-Molekül zu bilden ist so groß, dass das Element Wasserstoff unter Normalbedingungen nur molekular  vorkommt. Dies ist bei den zwei weiteren Beispielen auch der Fall.

Bildung eines Fluor-Moleküls durch eine Bindungswolke

Bildung eines Sauerstoff-Moleküls durch zwei Bindungswolken:

Vergleiche noch einmal mit dem Schalenmodell (siehe auch vorige Seite):

Bildung eines Methan-Moleküls durch vier Bindungswolken

Methan ist Hauptbestandteil des Erdgases.

Ein Kohlenstoff-Atom bildet mit vier Wasserstoff-Atomen ein Methan-Molekül.

Wir haben schon an einigen Stellen die Lewisformelschreibweise gesehen. Ich möchte hier eine Übung zeigen, die dir beim Aufstellen dieser Formeln sehr nützlich ist.

Voraussetzung:

Du kennt die Summenformel für ein Molekül des Stoffs oder du kannst sie dir aus dem Namen erschließen.

Beispiel:

Gesucht ist die Lewisformel von Ammoniak, NH₃

• Ein Ammoniak-Molekül besteht laut der Summenformel also aus einem Stickstoff-Atom und drei Wasserstoff-Atomen.
• Stickstoff steht in der 5. Hauptgruppe und hat demzufolge auch 5 Valenzelektronen.
• Ein Wasserstoff besitzt ein Valenzelektron. Da es im Molekül drei Wasserstoff-Atome gibt, besitzt das Molekül insgesamt 8 Valenzelektronen (5+1+1+1).
• Zwei Elektronen werden als ein Strich gezeichnet. 1 Strich = 1 Streichholz.
• Das zentrale Atom ist das Atom, das nur einmal im Molekül vertreten ist, also Stickstoff.
• 8 Streichhölzer müssen so gruppiert werden, dass alle Atome im Molekül eine voll besetzte äußerste Schale erhalten.
• Die Schale von einem Wasserstoff-Atom ist mit zwei Elektronen voll besetzt (siehe Hauptgruppenzahl im PSE).
• Die Valenzschale eines Stickstoff-Atoms ist mit acht Elektronen voll besetzt (siehe Hauptgruppenzahl im PSE).
• Bei Streichhölzern, die sich zwischen zwei Atomen befinden, werden die Elektronen von jedem an der Bindung beteiligten Atome benutzt!

Die Lewis-Formeln (Strukturformeln, Valenzstrichformeln) beschreiben Bindungsverhältnisse in Molekülen (oder Anionen). Das Bindungskonzept von LEWIS (1916 entwickelt) geht davon aus, dass die Bindung zwischen den Atomen eines Moleküls durch die gemeinsame Benutzung von Elektronen erfolgt. Auf diese Weise erhält jedes Atom im Molekül eine voll besetzte Valenzschale und damit die sogenannte Edelgaskonfiguration. Man nennt diese Bindungsart durch gemeinsame Benutzung von Bindungselektronen Elektronenpaarbindung, kovalente Bindung oder auch Atombindung. Die übrigen Elektronenpaare werden als nichtbindende oder freie Elektronenpaare bezeichnet. Wohl gemerkt: Es geht hier ausschließlich um Valenzelektronen. In Lewis-Formeln stellt man ein Bindungselektronenpaar durch einen Strich zwischen den entsprechenden Elementsymbolen dar.

Schauen wir uns zunächst einmal an, wie man die einzelnen Atome nach der Lewis-Formel schreiben kann, wobei wir nur die Nichtmetall-Atome betrachten, da nur diese Atombindungen eingehen:

Da die Hauptgruppenzahl im PSE die Anzahl an Valenzelektronen angibt, zeichnet man entsprechend so viele Punkte um das Elementsymbol herum. Wo man damit anfängt, ist egal. Stickstoff steht in der V. Hauptgruppe, besitzt also 5 Valenzelektronen. Wenn man z.B. mit der Setzung der Punkte oben anfängt, dann hat man oben zwei Punkte, also ein Elektronenpaar. Elektronenpaare werden als Striche gezeichnet. Man sieht hier schon, wieviel bindig die Atome sind. Ein Sauerstoff-Atom z.B. hat zwei einzelne Elektronen und wird daher (in der Regel) zwei Bindungen aufbauen. Die Bindigkeit erhält man auch mit der Formel 8-n, wobei n die Hauptgruppenzahl ist.

Regeln zum Aufstellen von LEWIS-Formeln in einfachen Fällen

1. Schreibe zunächst die Summenformel des Stoffs auf. 

Beispiel Ammoniak: NH₃

2. Ermittle die Anzahl an Elektronenpaaren in diesem Ammoniak-Molekül

N hat 5 e- und kommt 1x vor => 5 e^-
H hat 1 e- und kommt 3x vor => 3 e^-

Insgesamt: 8 e^-

8 : 2 = 4 Elektronenpaare im Molekül

3. Ermittle die Anzahl an Bindungen im Molekül

Überlege nun wie viele Valenzelektronen die jeweiligen Atome des Moleküls zur Erfüllung der Edelgaskonfiguration benötigen. Mulitpliziere dann mit der Anzahl der Atomsorte:

N: 8 e^- x 1 = 8
H: 2 e^- x 3 = 6

8 + 6 = 14
14 : 2 = 7

Nun wird von diesem Ergebnis die oben errechnete Anzahl an Elektronenpaaren, also 4,  subtrahiert.
Das Ergebnis: 3 Bindungen!

 3. Man bestimmt das Zentralatom

Das Zentralatom ist das Atom, welches nur einmal in der Formel vorkommt und die meisten Bindungen aufbauen kann. Nun gruppiert man die anderen Atome durch eine Einfachbindung jeweils im 90°-Winkel um das Zentralatom herum. Sollte es kein Zentralatom geben, wird dieser Schritt weggelassen.

Nun sind in unserem Beispiel 6 (3 Elektronenpaare) von den 8 Valenzelektronen in der Formel für die 3 Bindungen verbaut worden. Es gibt also noch 1 nicht bindendes Elektronenpaar.

4. Verteilung der verbleibenden Elektronenpaare

Die restlichen Elektronenpaare werden so verteilt, dass jedes Atom eine voll besetzte Valenzschale erhält.

Das Elektronenpaarabstoßungs-Modell von Gillespie

(VSEPR-Modell: Valence Shell Electron Pair Repulsion, Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßungsmodell)

1. Bindende Elektronenpaare haben zueinander den größtmöglichsten Abstand. Mehrfachbindungen haben den gleichen Raumbedarf wie Einfachbindungen. Der Raumbedarf eines bindenden Elektronenpaares sinkt mit steigender Elektronegativität.
2. Freie Elektronenpaare haben prinzipiell den gleichen Einfluss auf den Bau eines Moleküls wie Bindungselektronenpaare. Allerdings beanspruchen freie Elektronenpaare etwas mehr Raum als Bindungselektronenpaare.

Aus diesen Überlegungen ergibt sich für das Ammoniak-Molekül ein Tetraeder, der jedoch wegen der Regel 2 einen Bindungswinkel(H-N-H) von 107,0° statt des Tetraederwinkels von 109,5° hat.

Um die räumliche Struktur, die sich nach den Überlegungen von Gillespie ergibt, in einer Strukturformel (Lewis-Formel) noch besser zum Ausdruck zu bringen, kann man Bindungen, die hinter der Papierebene liegen mit einem schraffierten Keil kennzeichnen und Bindungen, die vor der Papierebene liegen – also zum Betrachter zeigen – mit einem ausgefüllten Keil.

Mit den nun erlernten Vorstellungen vom Atombau und dem Wissen, dass alle Atome versuchen die Edelgaskonfiguration zu bekommen, können wir auch verstehen, warum sich nur eine bestimmte Anzahl von Atomen in einem ganz bestimmten Zahlenverhältnis zu einem Molekül binden. 

Das Wassermolekül als ...

Schalenmodell (erweitertes Kern-Hülle-Modell)	Kugelschalenmodell	Lewis-Formel Valenzstrichformel Strukturformel	Summenformel
Beschriftete Abbildung			H2O

Zwei Wasserstoff-Atome bilden mit einem Sauerstoff-Atom ein Wasser-Molekül. Jedes Atom erreicht auf diese Weise eine voll besetzte Valenzschale, also die Edelgaskonfiguration.

Du bist dir nicht sicher, ob du das wirklich verstanden hast? Hier noch einmal ausführlicher ...

Bildung eines Wassermoleküls durch zwei (polare) Bindungswolken