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Orbitalmodell Erweiterung

Hybridisierung von Orbitalen

Der Begriff „Hybrid“ kann mit „etwas kombiniertes oder gemischtes“ übersetzt werden und ist zum Beispiel Autos mit dem „Hybridantrieb“ geäufig: eine Kombination aus Verbrennungs- und Elektromotor.

 

Bei Hybridorbitalen werden, wie der Name schon vermuten lässt, Orbitale miteinander kombiniert, genauer gesagt die Wellenfunktionen die ja erst zur Form der Orbitale führen.

 

Warum?

Betrachtet man das relativ einfache Molekül Methan (CH4), so weiß man, dass dort ein zentrales Kohlenstoffatom von 4 Wasserstoffatomen umgeben ist, die kovalent gebunden sind – die Bindungselektronen werden also zwischen den Bindungspartnern geteilt. Damit dies möglich ist, müssen je ein Orbital des Kohlenstoffs und des Wasserstoffs (hat nur 1s) überlappen. Beim Kohlenstoff käme dafür ein s- oder 3 verschiedene p-Orbitale in Frage. Das würde dazu führen, dass im Methan 2 prinzipiell verschieden Bindungen auftreten: die durch die Überlappung/ Wechselwirkung der s-Orbitale vom Kohlenstoff und Wasserstoff (2s und 1s) und die durch die p-Orbitale (2p und 1s).

 

Tatsächlich sind aber alle Bindungen gleich: gleich lang, gleich stark und auch weitestmöglich im Raum verteilt – so ist Methan tetraedrisch aufgebaut. Dies kann damit erklärt werden, dass das 2s- und die 3 2p-Orbitale des Kohlenstoffs so kombiniert werden, das 4 gleichartige Hybridorbitale entstehen – s.g. sp3-Hybridorbitale.

 

Wie man die Linearkombination der Wellenfunktion relativ einfach nachvollziehen und damit auch das Zustandekommen der Hybridorbitale verstehen kann, wird im Video erklärt.


Grundlagen


Video

Direktlink zum Video auf Youtube

 

Zusammenfassung in Textform (mit Zeitangaben)

Hybridorbitale – Einführung

 

Hybridorbitale sind eine der Voraussetzungen der kovalenten Bindung, also einer Bindung, bei der sich zwei Atome ein gemeinsames Elektronenpaar teilen. Dabei steuert jeder Bindungspartner theoretisch ein Elektron bei.

Betrachtet man die Orbitale zweier Bindungspartner, so kommt eine kovalente Bindung Zustande, wenn zwei Ihrer Atomorbitale ausreichend „überlappen“ bzw. wechselwirken und diese Atomorbitale jeweils nur mit einem Elektron besetzt sind. Dadurch entsteht ein Molekülorbital zwischen den zwei Partnern, in dem sich dann zwei Elektronen befinden (=bindendes Elektronenpaar).

 

2. Betrachtung am Beispiel des Kohlenstoffs (1 :21 )
2.1 Elektronenkonfiguration im Kohlenstoffatom

Die Elektronenkonfiguration im Kohlestoffatom wird wie folgt notiert: [He] 2s2 2p2.Das bedeutet: Kohlenstoff besitzt sechs Elektronen, zwei davon besetzen die Heliumschale
vollständig, vier Valenzelektronen teilen sich auf ein vollbesetztes 2s2-Orbital und zwei einfach besetzte 2p2-Orbitale auf. Das leitet sich aus den Regeln für die Besetzung von Orbitalen ab:
1.  Das energetisch niedrigste Orbital wird immer zuerst besetzt;
2. Gleichwertige Orbitale werden immer zuerst einfach besetzt (Hund’sche Regel) und
3. Zwei Elektronen im gleichen Orbital müssen sich mindestens im Spin unterscheiden (Pauli-Prinzip).

Da im Kohlenstoffatom das 2s-Orbital voll besetzt ist, befinden sich nur im 2p-Orbital zwei ungepaarte Elektronen. Nach der anfangs erwähnten Regel sind zur kovalenten Bindung ungepaarte Elektronen nötig. Das würde heißen, Kohlenstoff mit zwei ungepaarten Elektronen kann zwei kovalente Bindungen ausbilden. Jedoch ist Kohlestoff meistens vierbindig (wie z.B. in Methan CH4).

 

2.2 Vierbindigkeit des Kohlenstoff ( 3:12 )

Man erklärt dieses Problem so: Wird ein Elektron aus dem 2s-Orbital in das dritte, noch leere 2p-Orbital angehoben, so entstehen vier einfach besetze Orbitale: 2s1 und 2p3.
Diese „Verschmelzen“ bei der Ausbildung kovalenter Bindungen zu vier gleichwertigen
sp3-Orbitalen, die energetisch zwischen dem 2s- und dem 2p-Orbital liegen. Dies erklärt gleiche Bindungslängen und –stärken in allen vier C-H-Bindungen im Methan. Bei der Ausbildung dieser Molekülorbitale wird genug Energie frei, um den Energieaufwand, der zuvor gebraucht wurde, um das eine Elektron vom 2s- auf den 2p-Zustand anzuheben, „wieder gut zu machen“.

(5:01)Die vier gleichwertigen sp3-Orbitale heißen auch Hybridorbitale, was so viel bedeutet wie kombinierte Orbitale. Ihre Form kann man herleiten, wenn man die Wellenfunktionen der zu kombinierenden Orbitale, also ihre Schrödingergleichungen, kombiniert.
Bei einer Kombination aus einem s-Orbital und drei p-Orbitalen haben die Hybridorbitale folglich ¾ p-Orbital-Charakterund ¼ s-Orbital-Charakter.
(7:00)Bildlich ergibt sich ihre Form durch Kombination eines runden s-Orbitals mit einem hantelförmigen p-Orbital: Sie ähneln den p-Orbitalen, nur dass die positive (meist die schraffierte) Hantelhälfte größer und länglicher ist, und die Hantelhälfte mit dem negativen Vorzeichen etwas kleiner und kugeliger ist (da sich das positive 2s-Orbital und die negative Hälfte des 2p-Orbitals gegenseitig etwas abschwächen.).

 

2.3 Zusammenfassung sp3-Hybridisierung (9:56)

Beim Beispiel Kohlenstoff ergeben sich also aus einem einfach besetzten 2s-Orbital und drei einfach besetzten 2p-Orbitalen vier gleichwertige sp3-Hybridorbitale. Sie verteilen sich um das Kohlenstoffatom im größtmöglichen Abstand zueinander, dh. sie ordnen sich tetraedrisch darum an.  Ihr Winkel zueinander ist der sog. Tetraeder-Winkel, er beträgt 109,45°.
Alle anderen Hybridorbitale kann man genauso wie beim Beispiel Kohlenstoff, aus der Kombination ihrer Ausgangsorbitale herleiten.

 

3. Weitere Hybridorbitale (10:40)

Aus einem s- und zwei p-Orbitalen entstehen drei sp2-Orbitale. Die ist der Fall, wenn das dritte p-Orbital nicht besetzt ist (z.B. bei BF3) oder es eine п-Bindung ausbildet, sodass eine Doppelbindung entsteht (z.B. bei Ethen und allen anderen doppelt gebundenen Kohlenstoffatomen). Eine п-Bindung ist eine Bindung zwischen zwei halbbesetzen parallelen p-Orbitalen.

Aus einem s- und einem p-Orbital entstehen zwei sp-Hybridorbitale. Dies kommt vor, wenn zwei der drei p-Orbitale п-Bindungen ausbilden (z.B. bei Ethin) oder nur ein p-Orbital besetzt ist.


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Diskussion

Kommentare   

 
0 # Ethen HybridisierungMarvin 2016-01-30 10:46
Hey :)
Kannst du mir nochmal versuchen zu erklären warum beim Ethen sp2 entsteht und nicht sp3?
Das heißt ja dann das ich 3 Bindungen an jedem C atom ausbilden kann. Durch die Doppelbindung haben wir aber ja 4. Oder zählt diese als ein Orbital in p Charakter?
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0 # RE: Ethen HybridisierungAlex 2016-01-31 17:14
Eine Doppelbindung wird zwar durch zwei Striche verdeutlicht, es ist trotzdem nur eine Bindung - du hast also zwei Einfach- und eine Doppelbindung.

Grüße,

alex
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0 # Methan Mo- SchemaYogi 2015-01-17 11:23
Hey, wäre es möglich, dass du das Methan mit den Hybridisierunge n, als Mo - Schema mal aufzeichnen könntest ?
Ich habe dazu leider kein Viedeo gefunden.
Wenn es schon was dazu gibt würde mir der Link mir auch weiterhelfen.
Danke schon mal im vor raus :D
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0 # RE: Methan Mo- SchemaAlex 2015-01-17 13:23
Sicher, dass du das MO-Schema meinst?

science.oregonstate.edu/.../.. .
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0 # FrageAlicia 2014-11-02 19:53
Also wenn ich eine Bindung habe, nehme ich ja die Orbitale des Elements, welches mehrer hat, aber wie weiß ich dann wie ich sie zu einem Hybrid kombinieren mss.
Also ich verstehe dass die hybridorbitale dafür genommen werden um bindungen, die vom orbitalaufbau nicht möglisch sind ( s. c mit vier anstatt 3 bindungen) darzustellen, aber ich versteh nicht, was mit den elektronen passiert, die in einem s orbital sind wenn man sie nimmt um es zu hybritiesiern, dann man nimmt ja ein s orbital oder ?
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0 # RE: FrageAlex 2014-11-03 20:13
Bitte versuch mal, deine Frage etwas strukturierter zu stellen. Ich verstehe nicht ganz, worauf du konkret hinaus möchtest.

Mit den Elektronen "passiert" in dem Sinne nix, es ist ein Modell. Die Wellenfunktione n, die den Orbitalen zugrunde liegen, werden so kombiniert, dass 4 (oder 3 oder 2) gleichartige entstehen. Dabei unterscheiden sich die resultierenden Hybridorbitale aber in der räumlichen Ausrichtung um Abtsoßung zu minimieren (s. auch VSEPR-Modell auf dieser Seite)

Am sinnvollsten wäre es, du nennst ein kokretes Molekül oder Beispiel, bei dem du die Hybridisierung nicht nachvollziehen kannst
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0 # Methan-Orbitalebrt 2014-09-14 12:49
Ich verstehe nicht woher man weiss, dass Methan 1 s und 3 p Orbitale haben soll :S und wie bekommt man das allegmein für andere Verbindungen raus ? :S
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0 # RE: Methan-OrbitaleAlex 2014-09-14 14:54
Schau dir bitte unbedingt das Einführungs-Vid eo zur Orbitaltheorie an: alteso.de/.../...

Sollte dann noch etwas offen sein, frag gern dort im Kommentarbereic h nach!
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0 # Wann welche HybridisierungRobin 2014-07-05 23:09
Ich habe nicht richtig verstanden wann welche Hybridiserungsa rt also (sp, sp2, sp3) zum Einsatz kommt. Also wie kann ich aus der Summenformel oder der Lewis Formel darauf schliesen welche Hybridisierung am Zentralatom herscht. Ich wäre über jede Hilfe dankbar.
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+1 # RE: Wann welche HybridisierungAlex 2014-07-07 15:13
Es muss die Frage beantwortet werden, welche und wieviele Orbitale daran beteiligt sind, Einfachbingen auszubilden.

Kurz:

Alkane - sp3
Alkene - sp2 (ein C der doppelbindung natürlich)
Alkine - sp

Falls dir ein konkretes Beispiel Kopfzerbrechen bereitet, schreib es hier doch einfach mal, das ist sicher einfacher.

Grüße,

alex
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0 # youtube-VideoreSa211 2014-02-27 00:12
Hallo,

leider kann ich folgendes youtube-Video nicht auf alteso.de finden.
www.youtube.com/.../
Doch dazu habe ich eine Frage. Undgefähr bei 7:00 min werden ja bei den p-Orbitalen die Elektronen eingezeichnet. Aber laut der Hundschen Regel müssten doch erst alle mit gleicher Spinrichtung (Haken nach oben) auf die drei p-Orbitale aufgeteilt und eingezeichnet werden, oder?

Liebe Grüße,
reSa.
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+2 # RE: youtube-VideoAlex 2014-02-27 07:12
Dazu bin ich noch nicht gekommen, da der komplette Bereich dazu aufgebaut werden muss, inkl. vieler Texte und Bilder.

Deine Anmerkung ist korrekt, keine Ahnung, warum ich das beim Zeichnen unterschlagen habe - Ich werde eine Videoanmerkung machen. Vielen Dank für den Hinweis!

Grüße,

Alex
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0 # selbes VideoFlorian 2014-03-08 13:07
Hallo Alex,

ich habe zu dem gleichen Video eine Frage.
Bei Minute 22 (etwa) zeichnest du die Energieniveaudi agramme für eine C=C Verbindung auf.

Warum haben die 2p-Orbitale denn jeweils nur ein Elektron? Selbst wenn man sich die Arbeit und Platz spart, 3 Striche zu machen, sollten doch trotzdem 2 Elektronen auf dem einen Strich sein, abgesehen davon, dass laut Hund'sche Regel ja 2 Striche besetzt sein müssten?

Vielen Dank schonmal für die vielen Videos, das erleichtert das Lernen doch erheblich =)

Greetz
Florian
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0 # RE: selbes VideoAlex 2014-03-08 14:34
Das ist doch kein vollständiges Energieniveaudi agramm - da werden nur die beiden p-Orbitale betrachtet, die auch die pi-Bindung ausbilden. Da passt passt das schon und hat auch nix mit Arbeit sparen zu tun... Wären dort 2 Elektronen drauf, wäre das gebildete MO auch nicht bindend, also alles korrekt so.

Grüße,

alex
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0 # HybridisierungKoen 2014-01-31 16:54
Hallo "alteso" ,
ich habe nur eine Frage zu ClF5 . Cl hat ja 7 Valenzelektrone n ( 3S^2 3P^5). Wenn Cl mehrfach Bindungen eingehen möchte so muss es hybridisieren. Wenn Cl hybridisiert können da bis zur 7x Sp Orbitale entstehen ? Oder wie funktioniert das mit dem 5 Bindungen ? Vielen Dank
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+1 # RE: HybridisierungAlex 2014-01-31 17:07
Das ist etwas komplizierter. p-Orbitale gibt es ja nur 3 Stück, mit dem s-Orbital können also nur 4 gleichwertige Hybridorbitale gebildet werden.

Beim Chlorpentafluor id braucht man aber 6 - 5 für die Bindungen zum Fluor, eines für ein freies EP:

de.wikipedia.org/.../... id

also werden noch 2 d-Orbitale mit einbezogen und somit 6 gleichwertige sp3d2-Hybridorb itale gebildet.

Klar?
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+4 # RE: HybridorbitaleRoman 2013-06-08 15:20
Vielen Dank für dieses schöne Video :)
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+4 # RE: HybridorbitaleAlex 2013-03-11 22:39
Ach kein Ding - wenn es dir geholfen hat und du dich freust, ist doch alles schön ;-)
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+9 # :)Isa 2013-03-11 22:31
Vielleicht ist das hier ein bisschen fehl am Platz, aber vielen vielen Dank, dass du dir die Zeit dafür genommen hast.
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0 # RE: HybridorbitaleAlex 2013-03-08 14:59
Die Orbitale sind immer da, das sind ja nur die möglichen Aufenthaltsbere iche - beim Bohrschen Atommodell hat auch Wasserstoff 2., 3.,... Schalen, die sind nur nicht besetzt, genauso ists beim Orbitalmodell. Die Elektronenkonfi guration gilt immer für den Grundzustand, also für das "nackige" Atom - da müssen sich die Elektronen dort aufhalten wo es möglichst wenig Energie kostet. Bei der Hybridisierung, also beim Ausbilden der Bindungen gehts darum, wie eben diese Bindungen möglichst einfach gebildet werden können, das geht bei 4 Aussenelektrone n,4 Orbitalen (beim C) und 4 Bindungspartner n eben nur wenn in jedem (Hybrid-)Orbita l nur ein Elektron steckt.

Grüße,
alex
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0 # RE: HybridorbitaleNathan 2013-03-08 14:56
Hallo!
Du stellst anfangs die Konfiguration des C-Atoms vor [He] 2s² 2p² , aber woher nimmst du dann das dritte p-Orbital für die 4 sp³ Hybridorbitale? Du schreibst
1x s + 3xp = 4x sp³ , aber das C-Atom besitzt nur 2x p.
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+3 # HybridisierungKoen 2014-01-31 17:07
Grundsätzlich gibt es immer 3x p Orbitale und ein 1x s auf dem gleichen Energieniveau. Bei dem C (nicht hybridisiert) sind zwei der p Orbitale mit jeweils ein Elektron besetzt und der s Orbital mit 2 Elektronen vollbesetzt. Bei der Hybridisierung "verschmelzen" diese beiden ( s und p Orbital) und die Elektronen verteilen sich dann jeweils auf ein Orbital. Ein Orbital ist keine Schale, sondern es ist ein "Raum" wo die Elektronen sich zur 90 % befinden können, dass heißt es entstehen keine Orbitale.
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+2 # RE: HybridisierungAlex 2014-01-31 17:13
Die Frage hab ich drüber schon beantwortet ;-)

Ich hatte anfangs eine andere Taktik und hab nicht die "Antworten"-Fun ktion genutzt, daher etwas doof..

Finds aber super, dass du mit antwortest, bitte weiter so! ;-)

(s und p sind nicht auf dem gleichen Energie-Niveau, s liegt immer etwas tiefer)
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