Freies Elektronenpaar

Ein einsames Elektronenpaar (auch 'freies Elektronenpaar' und 'nichtbindendes Elektronenpaar' genannt) ist ein Valenzelektronenpaar, das nicht an Bindungen zwischen Atomen beteiligt ist, sondern ganz zu einem Atom gehört.

Der Winkel von 109 Grad in Wassermolekülen (H₂O) lässt sich beispielsweise durch die einsamen Elektronenpaare auf dem Sauerstoffatom erklären: Sie stoßen die Valenzelektronenparen, die die Wasserstoffatome binden, ab. Im Gegensatz dazu ist das Kohlendioxidmolekül (CO₂), das keine einsamen Elektronenpaare auf dem mittleren Atom hat, gradlinig. Die Form eines Moleküls kann man nicht wahrnehmen, aber man kann es ableiten aus kristallographischen Messungen, wie Röntgen-Diffraktion. Die Form eines Moleküls beeinflusst zum Beispiel den Schmelzpunkt eines Stoffes, weil das Molekül wegen seiner Form besser oder schlechter in die geordnete Struktur eines Kristalles passt. Es beeinflusst auch die Kristallform. Wasser, oder besser gesagt Wasserstoffoxid ist etwas besonderes: Es ist in der festen, KristalForm, leichter als in der flüssigen Form. Daher treibt Eis auf Wasser. Das hat das Leben auf der Erde möglich gemacht, sonst würden im Winter alle Gewässer von oben bis unten zufrieren und alles was darin lebt würde sterben.

Wassermoleküle bestehen aus einem Sauerstoffatom und zwei daran gebundenen Wasserstoffatomen: H₂O. Das Sauerstoffatom hat 6 Valenzelektronen. Zwei davon befinden sich in Valenzelektonenpaaren, die die Wasserstoffatome an das Sauerstoffatom binden. Zu diesen zwei Bindungen tragen auch die Wasserstoffatome jeweils ein Valenzelektron bei. Solch eine Bindung wird Elektronenpaarbindung oder 'kovalente Bindung' genannt. Die vier übrigen Valenzelektronen des Sauerstoffatoms bilden zwei Paare, die einsame Elektronenpaare genannt werden, da sie keine Bindungspaare sind.
Alle Valenzelektronenpaare des Sauerstoffatoms stoßen einander ab, die einsamen Elektronenpaare etwa so stark wie die Bindungspaare. Die vier Valenzelektronenpaare befinden sich darum ungefähr gleichmäßig verteilt auf dem Sauerstoffatom, also an den Ecken eines virtuellen Tetraeders. Der Winkel zwischen zwei Valenzelektronpaaren ist jeweils immer 109 Grad. Aufgrund der einsamen Elektronenpaare des Sauerstoffatoms ist das Wassermolekül also nicht geradlinig. Mehr über die Form von Molekülen ist zu finden unter Elektronenpaarbindung.