Isoelektronische und isostere Teilchen
Wie man durch Abzählen von Elektronen und Atomen erkennt, welche Moleküle und Ionen isoelektronisch und isoster sind, und warum sie dann gleich gebaut sind.
Das Wichtigste in Kürze
- Isoelektronisch sind Teilchen mit gleicher Elektronenzahl und gleichem Bau; Verbindungen mit gleicher Atom- und Elektronenzahl heißen isoster.
- Die Elektronenzahl ist die Summe der Ordnungszahlen, plus eins je negativer Ladung, minus eins je positiver Ladung.
- \(\ce{N2}\), \(\ce{CO}\), \(\ce{CN-}\) und \(\ce{NO+}\) haben je 14 Elektronen und eine Dreifachbindung; \(\ce{CO2}\) und \(\ce{N2O}\) haben je 22 Elektronen.
- \(\ce{NO3-}\)/\(\ce{CO3^2-}\) (32, trigonal-planar), \(\ce{PO4^3-}\)/\(\ce{SO4^2-}\)/\(\ce{ClO4-}\) (50, tetraedrisch) und \(\ce{BH4-}\)/\(\ce{NH4+}\) (10) sind isoelektronische Familien.
- Bei organischen Teilchen entscheidet zusätzlich die Atomzahl: Dimethylamin ist isoelektronisch mit protoniertem Dimethylether und \(\ce{(CH3)2CH-}\), nicht mit dem Dimethylamid-Anion.
Gleiche Elektronen, gleicher Bau
Isoelektronische Teilchen haben gleich viele Elektronen und meist denselben Bau, obwohl sie aus verschiedenen Elementen bestehen. Das Konzept gehört zur kovalenten Bindung. Mit ihm schließt man von einem bekannten Molekül auf Bindungen und Gestalt eines unbekannten Ions, etwa auf die Liganden \(\ce{CN-}\) und \(\ce{NO+}\) im Nitroprussid-Natrium.
Isoelektronie und Isosterie
Ob zwei Teilchen isoelektronisch sind, entscheidet man durch Abzählen. Gezählt werden Elektronen und Atome. Die Elemente selbst dürfen verschieden sein. Stimmen beide Zahlen überein, haben die Teilchen fast immer auch gleiche Bindungen, gleiche freie Elektronenpaare und gleiche Gestalt.
Isoelektronisch sind Teilchen mit gleicher Elektronenzahl und gleichem Bau, bei mehratomigen Teilchen also auch gleicher Atomzahl. Isoster heißen nach Langmuir verschiedene Verbindungen mit gleicher Atom- und gleicher Elektronenzahl. Für Moleküle und Molekülionen decken sich beide Begriffe: \(\ce{N2}\) und \(\ce{CO}\) sind isoelektronisch und isoster.
Bei Atomen und einatomigen Ionen genügt die gleiche Elektronenzahl. So sind \(\ce{F-}\), \(\ce{Ne}\) und \(\ce{Na+}\) mit je 10 Elektronen isoelektronisch. Bei mehratomigen Teilchen muss zusätzlich die Zahl der Atome stimmen. Sonst ist der Bau ein anderer, und die gleiche Elektronenzahl ist bloßer Zufall.
Elektronen abzählen
Die Elektronenzahl folgt direkt aus Summenformel und Ladung. Ein neutrales Atom besitzt so viele Elektronen, wie seine Ordnungszahl angibt. Eine Ionenladung verschiebt diese Summe.
- Ordnungszahlen addieren: Jedes Atom liefert so viele Elektronen wie seine Ordnungszahl, jedes H-Atom eines.
- Ladung einrechnen: Jede negative Ladung addiert ein Elektron, jede positive Ladung zieht eines ab.
- Atome zählen: Alle Atome zählen mit, auch die Wasserstoffatome.
- Vergleichen: Gleiche Elektronenzahl und gleiche Atomzahl bedeuten isoelektronisch.
Ein Beispiel ist das Azid-Ion \(\ce{N3-}\). Drei Stickstoffatome liefern \(3 \cdot 7 = 21\) Elektronen, die Ladung bringt eines dazu. Das ergibt 22 Elektronen bei drei Atomen. Kohlendioxid hat \(6 + 2 \cdot 8 = 22\) Elektronen und ebenfalls drei Atome. Azid ist daher isoelektronisch mit \(\ce{CO2}\) und wie dieses linear.
Statt aller Elektronen kann man auch nur die Valenzelektronen zählen. Das reicht, solange die verglichenen Atome aus derselben Periode stammen, denn dann tragen sie gleich viele Rumpfelektronen. Anders bei \(\ce{CO2}\) und \(\ce{CS2}\): Beide haben 16 Valenzelektronen und sind linear. Insgesamt besitzt \(\ce{CS2}\) aber 38 Elektronen, \(\ce{CO2}\) nur 22. Streng isoelektronisch sind sie deshalb nicht.
Die anorganischen Familien
Die bekannteste Familie bilden zweiatomige Teilchen mit 14 Elektronen. \(\ce{N2}\) hat \(2 \cdot 7 = 14\), Kohlenmonoxid \(6 + 8 = 14\). Beim Cyanid-Ion \(\ce{CN-}\) ergeben \(6 + 7\) plus die negative Ladung ebenfalls 14. Beim Nitrosyl-Kation \(\ce{NO+}\) kommt man über \(7 + 8\) minus die positive Ladung auf denselben Wert. Alle vier tragen eine Dreifachbindung und an jedem Atom ein freies Elektronenpaar. Die Lewis-Formel von CO braucht dafür Formalladungen, die Elektronenverteilung ist aber dieselbe wie bei \(\ce{N2}\).
Dahinter steckt ein einfaches Muster. Rückt ein Atom im Periodensystem einen Platz nach links, verliert das Teilchen ein Proton und ein Elektron. Eine zusätzliche negative Ladung ersetzt das fehlende Elektron. So wird aus \(\ce{CO}\) das \(\ce{CN-}\), weil N links von O steht.
Ein Platz nach links im Periodensystem kostet ein Elektron, eine negative Ladung gibt es zurück. Ein Platz nach rechts bringt ein Elektron mehr, eine positive Ladung gleicht es aus.
Nach diesem Muster lassen sich alle wichtigen Familien ableiten. Gleiche Elektronenzahl heißt dabei gleiche Gestalt, die sich mit dem VSEPR-Modell begründen lässt.
| Elektronen | Valenzelektronen | Teilchen | Gestalt |
|---|---|---|---|
| 14 | 10 | \(\ce{N2}\), \(\ce{CO}\), \(\ce{CN-}\), \(\ce{NO+}\) | linear (zweiatomig) |
| 22 | 16 | \(\ce{CO2}\), \(\ce{N2O}\), \(\ce{N3-}\) | linear |
| 32 | 24 | \(\ce{CO3^2-}\), \(\ce{NO3-}\) | trigonal-planar |
| 50 | 32 | \(\ce{SiO4^4-}\), \(\ce{PO4^3-}\), \(\ce{SO4^2-}\), \(\ce{ClO4-}\) | tetraedrisch |
| 10 | 8 | \(\ce{BH4-}\), \(\ce{NH4+}\) | tetraedrisch |
Bei Carbonat und Nitrat gleicht die Ladung den Wechsel von C zu N aus: \(6 + 24 + 2\) und \(7 + 24 + 1\) ergeben je 32. Ebenso rechnet man beim Boranat und beim Ammonium-Ion: \(5 + 4 + 1\) und \(7 + 4 - 1\) ergeben je 10.
Besonders anschaulich ist die Reihe der Oxoanionen der dritten Periode. Von Silicium bis Chlor steigt die Kernladung des Zentralatoms jeweils um eins, die Ionenladung sinkt um eins. Beim Phosphat ergeben sich \(15 + 32 + 3 = 50\) Elektronen, beim Perchlorat \(17 + 32 + 1 = 50\). Alle vier Ionen sind tetraedrisch gebaut.
Die Familien \(\ce{N2}\)/\(\ce{CO}\)/\(\ce{CN-}\)/\(\ce{NO+}\), \(\ce{CO2}\)/\(\ce{N2O}\), \(\ce{NO3-}\)/\(\ce{CO3^2-}\), \(\ce{PO4^3-}\)/\(\ce{SO4^2-}\)/\(\ce{ClO4-}\) und \(\ce{BH4-}\)/\(\ce{NH4+}\) sind ein Examensklassiker. Rechne die Ionenladung immer mit ein und prüfe zusätzlich, ob die Atomzahl übereinstimmt.
Viele Paare sehen nur ähnlich aus. \(\ce{O2}\) besitzt 16 Elektronen und damit zwei mehr als \(\ce{N2}\). \(\ce{NO2}\) kommt auf \(7 + 16 = 23\) Elektronen, eines mehr als \(\ce{CO2}\). Es ist deshalb ein Radikal und gewinkelt statt linear. Bei den Chlor-Oxoanionen täuscht das gemeinsame Zentralatom.
| Teilchen | Rechnung | Elektronen | Atome |
|---|---|---|---|
| \(\ce{ClO2-}\) | \(17 + 16 + 1\) | 34 | 3 |
| \(\ce{ClO3-}\) | \(17 + 24 + 1\) | 42 | 4 |
| \(\ce{ClO4-}\) | \(17 + 32 + 1\) | 50 | 5 |
Jedes Sauerstoffatom bringt acht Elektronen und ein Atom mehr. Chlorit, Chlorat und Perchlorat sind daher untereinander nicht isoelektronisch. Nur das Perchlorat gehört zur 50-Elektronen-Familie von Sulfat und Phosphat.
Organische isoelektronische Paare
Dasselbe Prinzip gilt für organische Teilchen. Bei Dimethylether und seinen Verwandten sind die beiden Methylgruppen gleich. Man vergleicht deshalb nur die Zentraleinheit, also das Zentralatom mit seinen H-Atomen und seiner Ladung. Man kann sich das wie einen Baukasten vorstellen: Die Methylgruppen bleiben stehen, nur der Mittelstein wird getauscht.
| Atome | Teilchen | Zentraleinheit |
|---|---|---|
| 9 | Dimethylether \(\ce{(CH3)2O}\), Dimethylamid \(\ce{(CH3)2N-}\) | \(\ce{O}\), \(\ce{N-}\) |
| 10 | protonierter Dimethylether \(\ce{(CH3)2OH+}\), Dimethylamin \(\ce{(CH3)2NH}\), Carbanion \(\ce{(CH3)2CH-}\) | \(\ce{OH+}\), \(\ce{NH}\), \(\ce{CH-}\) |
| 11 | Dimethylammonium \(\ce{(CH3)2NH2+}\), Propan \(\ce{C3H8}\) | \(\ce{NH2+}\), \(\ce{CH2}\) |
Jede dieser Zentraleinheiten hat acht Elektronen. Beim \(\ce{N-}\) sind es \(7 + 1\), beim \(\ce{OH+}\) \(8 + 1 - 1\), beim \(\ce{CH-}\) \(6 + 1 + 1\). Isoelektronisch sind die Teilchen innerhalb einer Zeile. Dimethylether und Dimethylamid-Anion bilden ein Paar. Protonierter Dimethylether, Dimethylamin und das Carbanion bilden ein Trio.
Alle sieben Teilchen der Tabelle haben 26 Elektronen. Dimethylamid-Anion (9 Atome) und Carbanion \(\ce{(CH3)2CH-}\) (10 Atome) sind trotzdem nicht isoelektronisch, ebenso wenig protonierter Dimethylether (10 Atome) und Dimethylammonium (11 Atome).
An Strukturformeln zählt man deshalb zuerst die H-Atome am Zentralatom, dann die Ladung. Ein zusätzliches H-Atom liefert zwar ein Elektron, verändert aber die Atomzahl. Nur eine Ladung gleicht einen Elementwechsel aus, ohne den Bau zu ändern. Langmuirs Begriff der Isosterie lebt übrigens in der Wirkstoffentwicklung als Bioisosterie weiter.
Quiz
Aussage 1
Das Chlorat-Ion \(\ce{ClO3-}\) gehört zur selben isoelektronischen Familie wie Sulfat und Phosphat.
\(\ce{ClO3-}\) hat 42 Elektronen und vier Atome. Zur 50-Elektronen-Familie mit \(\ce{SO4^2-}\) und \(\ce{PO4^3-}\) gehört das Perchlorat \(\ce{ClO4-}\).
Aussage 2
Distickstoffmonoxid \(\ce{N2O}\) hat wie \(\ce{CO2}\) 22 Elektronen und ist wie dieses linear gebaut.
\(2 \cdot 7 + 8 = 22\) und \(6 + 2 \cdot 8 = 22\), je drei Atome: isoelektronisch und linear.
Aussage 3
Sauerstoff \(\ce{O2}\) und Stickstoff \(\ce{N2}\) sind isoelektronisch, weil beide zweiatomige Elementmoleküle sind.
\(\ce{O2}\) hat 16 Elektronen, \(\ce{N2}\) nur 14. Gleiche Atomzahl allein reicht nicht.
Aussage 4
\(\ce{BH4-}\) und \(\ce{NH4+}\) haben jeweils 10 Elektronen und sind isoelektronisch.
\(5 + 4 + 1 = 10\) und \(7 + 4 - 1 = 10\), beide fünfatomig und tetraedrisch.
Aussage 5
Das Dimethylamid-Anion \(\ce{(CH3)2N-}\) und das Carbanion \(\ce{(CH3)2CH-}\) sind isoelektronisch, da beide 26 Elektronen besitzen.
Die Elektronenzahl stimmt, aber das Amid-Anion hat 9 Atome, das Carbanion 10. Isoelektronisch mit dem Amid-Anion ist Dimethylether.
Aussage 6
Beim Abzählen der Elektronen eines Anions wird die negative Ladung von der Summe der Ordnungszahlen abgezogen.
Eine negative Ladung bedeutet ein zusätzliches Elektron und wird addiert. Abgezogen wird eine positive Ladung.
Aussage 7
Dimethylamin ist isoelektronisch mit protoniertem Dimethylether \(\ce{(CH3)2OH+}\).
Beide haben 10 Atome und 26 Elektronen; die Zentraleinheiten \(\ce{NH}\) und \(\ce{OH+}\) tragen je acht Elektronen.
Aussage 8
Das Nitrosyl-Kation \(\ce{NO+}\) besitzt 14 Elektronen und ist damit isoelektronisch mit Kohlenmonoxid.
\(7 + 8 - 1 = 14\) Elektronen, genau wie \(\ce{CO}\) mit \(6 + 8 = 14\), beide zweiatomig.
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