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Transkript Die Hybridisierung des Kohlenstoff-Atoms

Hallo und herzlich willkommen! In diesem Video möchte ich erklären, was man unter der Hybridisierung des Kohlenstoff-Atoms versteht. Nach dem Film weißt du: - wie das C-Atom, also das Kohlenstoff-Atom, hybridisiert sein kann - wie man erkennt, welche Hybridisierung oder welche Art der Hybridisierung vorliegt - und natürlich warum das alles überhaupt wichtig ist. Du solltest jetzt allerdings schon wissen, was Orbitale sind, was Hybridorbitale sind und was eine kovalente Bindung ist. Um einen Einstieg in die Thematik zu finden, sollten wir uns erst einmal den Grundzustand des C-Atoms anschauen. Damit ist die Orbitalstruktur des ungebundenen C-Atoms gemeint. Als Darstellungsform wähle ich hier ein Diagramm, bei dem die y-Achse die Energie beschreibt. Auf dieser Achse trage ich zwei Energieniveaus ein, die für die erste und die zweite Hauptquantenzahl und damit für die erste und die zweite Schale des Atoms stehen. In der ersten Schale befindet sich ein s-Orbital, das wir als das 1s-Orbital bezeichnen, und in diesem Orbital befinden sich zwei Elektronen. Die 1 sagt aus, dass dieses Orbital sich in der ersten Schale befindet, und das s sagt aus, dass es sich um ein s-Orbital handelt. Weiter geht es in die zweite Schale, in der wir zunächst ein s-Orbital haben, das wir als das 2s-Orbital bezeichnen, und in welchem sich ebenfalls 2 Elektronen befinden. Weiterhin weist die zweite Schale 3 p-Orbitale auf, die wir die 2p-Orbitale nennen. Da wir aber nur noch zwei Elektronen zu vergeben haben, weil das C-Atom ja insgesamt 6 Elektronen aufweist, füllen wir die 2 Elektronen so ein, dass jeweils ein Elektron in einem p-Orbital sich befindet und das dritte p-Orbital völlig leer ist. Über diese Orbitale zeichne ich mal die Form der Orbitale, denn die spielt eine wichtige Rolle bei unseren Betrachtungen. Das s-Orbital ist kugelförmig, wobei sich der Kern des Atoms in der Mitte dieses kugelförmigen Orbitals befindet. Die p-Orbitale haben alle solch eine Form, dass es zwei - ja sagen wir mal Keulen - sind, die sich in einem Punkt berühren, und in diesem Punkt befindet sich der Atomkern. Die 3p-Orbitale unterscheiden sich allerdings darin, dass sie in den drei unterschiedlichen Raumrichtungen x, y und z unterschiedlich ausgerichtet sind. Die Valenzschale unseres Atoms ist die zweite Schale, also das eine 2s-Orbital und die drei 2p-Orbitale. In dieser Valenzschale befinden sich 4 Valenz Elektronen, das hatten wir ja erwartet von einem Element, das sich in der 4. Hauptgruppe befindet. Jetzt zeichne ich die 3 p-Orbitale so auf, wie sie sich tatsächlich nebeneinander befinden. D.h. in der Mitte der Atomkern und in den drei Raumrichtungen außen herum, diese p-Orbitale. Fülle ich nun die zwei Elektronen ein, die in diese p-Orbitale gehören, dann sieht das in etwa so aus, wie hier dargestellt. Nun braucht unser C-Atom noch vier Elektronen um die Valenzschale zu komplettieren. Zum Beispiel kann es das erreichen, indem es mit Wasserstoff reagiert, und die Verbindung Methan bildet. CH4, wobei jedes H-Atom ein Elektron beisteuert, und somit vier Elektronen zusammenkommen. Würde ich die Elektronen so einfüllen, wie die Orbitale sich gerade darbieten, d.h. zwei dieser Elektronen in das eine Orbital, was komplett leer ist, und jeweils ein Elektron in ein halb leeres Orbital, dann würden die H-Atome sich so um den Kern herum gruppieren, dass sie im 90° Winkel zueinanderstehen. Das wäre aber äußerst ungünstig, denn es gibt die Vorgabe, dass die vier Bindungspartner sich möglichst gleichmäßig um den Atomkern oder um das Zentralatom herum gruppieren sollten. In diesem Falle ist das C-Atom natürlich das Zentralatom. Oder um es mit anderen Worten zu sagen, so wie die Orbitalstruktur des Atoms im Grundzustand sich darbietet, ist es ungünstig für die Ausbildung von vier Bindungen mit z.B. H-Atomen. Folglich muss die Orbitalstruktur in diesem gebundenem C-Atom anders aussehen. Nur wie? An dieser Stelle kommt die Hybridisierung ins Spiel. Hybridisierung heißt ja einfach nur Vermischung. Man kann z.B. Rosen hybridisieren, dann hat man plötzlich aus roten und weißen Rosen eine rosa Rosensorte gemacht. Oder man kann auch Regenwürmer mit Igeln hybridisieren, dann hätte man Stacheldraht. Naja, und man kann eben auch Orbitale hybridisieren. Im Falle der sp3-Hybridisierung, wie man sie nennt, nimmt man das eine s-Orbital der zweiten Schale, und die drei p-Orbitale, der zweiten Schale, tut sie in einen Topf, rührt um und zieht dann vier neue Orbitale heraus, die man dann sp3-Orbitale nennt. Aus einem s und drei p-Orbitalen, wurden vier sp3-Orbitale. Was soll das Ganze? Der Witz ist der, dass diese vier neuen Orbitale gleichwertig sind. Im Gegensatz zu den drei p und dem einem s-Orbital, die sich irgendwie voneinander unterschieden, sind diese vier sp3-Orbitale identisch, außer in ihrer Ausrichtung im Raum. Da ihr Energieniveau identisch ist, füllt man in jedes dieser sp3-Orbitale je eines der vier Valenzelektronen ein. Und was die Form dieser Orbitale angeht, so mutet sie ein bisschen seltsam an. Auch wieder eine Art Doppelkeule, wobei die eine Hälfte viel, viel größer ist als die andere Hälfte. Besonders interessant und wichtig für uns, ist aber die Ausrichtung dieser vier Orbitale. Sie sind nämlich so ausgerichtet, dass sie möglichst weit voneinander entfernt sind, wenn man sie aufeinander tut. Und die Form, die sich dann ergibt, ist ein sogenannter Tetraeder. D.h., eine Pyramide mit einer dreieckigen Grundfläche. Nun können unsere vier H-Atome kommen. und jedes davon ein Elektron in eines dieser vier Hybridorbitale tun, auf das sich vier kovalente Bindungen ausbilden, zwischen dem C-Atom und den vier H-Atomen. Und fertig ist das Methanmolekül, das man sich vorstellen kann als einen Tetraeder, bei dem auf jeder Ecke ein H-Atom sitzt und in der Mitte das C-Atom. Die Bindungswinkel in diesem Molekül betragen alle 109°. Wir sprechen in diesem Falle von einer tetraedrischen Geometrie. Der nächste Fall, den wir betrachten, ist die sogenannte sp2-Hybridisierung. Zum Beispiel ist das C-Atom in Formaldehyt sp2 hybridisiert. Was hier auffällt: Im Gegensatz zum vorigen Beispiel, wo wir vier Bindungspartner hatten, haben wir jetzt nur noch drei Bindungspartner. Ein O-Atom und zwei H-Atome, wobei das O-Atom mit einer Doppelbindung an den Kohlenstoff gebunden ist. Diese drei Bindungspartner möchten sich möglichst weitflächig über das Zentralatom verteilen. Und da das mit der Grundzustandsanordnung der Orbitale nicht funktioniert, findet auch hier wieder eine Hybridisierung statt, die sogenannte sp2-Hybridisierung. Die sieht so aus, dass aus einem s-Orbital und zwei p-Orbitalen drei sp2-Orbitale gemacht werden, und ein p-Orbital ungeschoren bleibt. Diese Orbitale ordnen sich so an, dass diese 3 sp2-Orbitale ein Dreieck bilden, so etwas Ähnliches, wie einen Mercedesstern, und dass das p-Orbital, das noch intakt ist, senkrecht auf diesem Dreieck steht. Wir füllen in jedes dieser Orbitale jeweils ein Elektron ein, und lassen jeweils ein zweites Elektron von einem Bindungspartner hinzukommen, um kovalente Bindungen auszubilden. Die Doppelbindung zwischen dem C und dem O, kommt dann dadurch zustande, dass zum einen das sp2-Orbital mit einem entsprechendem Orbital des O-Atoms interagiert und eine kovalente Bindung ausbildet, und dass zusätzlich das intakte p-Orbital des C-Atoms mit einem eben solchem p-Orbital des O-Atoms interagiert und die zweite kovalente Bindung ausbildet. Die drei Bindungspartner sind in Dreiecksform um das C-Atom angeordnet, und bilden jeweils einen Winkel von 120°. Man sagt, hier handelt es sich um eine trigonal-planare Molekülform oder trigonal-planare Geometrie. Trigonal bedeutet einfach nur dreieckig und planar bedeutet platt, oder flach. Also: dreieckig flach. Die dritte mögliche Hybridisierungsform des Kohlenstoffs ist die sogenannte sp-Hybridisierung. Sie liegt dann vor, wenn wir zwei Bindungspartner haben. Ein Beispiel dafür wäre das CO2, das Kohlendioxid, bei dem das Kohlenstoff-Atom mit einer Doppelbindung an ein Sauerstoff-Atom gebunden ist, und mit noch einer Doppelbindung an ein zweites Sauerstoff-Atom gebunden ist. Ein zweites Beispiel für diese Hybridisierungsart wäre die Blausäure HCN, bei der das C-Atom mit einer Einfachbindung an ein H-Atom gebunden ist und mit einer Dreifachbindung an ein N-Atom. Bei der sp-Hybridisierung, wird so hybridisiert, dass ein s und ein p-Orbital miteinander vermischt werden, um zwei sp-Orbitale zu bilden, und dass weiterhin zwei der ursprünglichen p-Orbitale intakt bleiben. Die Form dieser Hybridorbitale ist wieder eine asymmetrische Doppelkeule, wobei auch hier vorallem wieder die Orientierung im Raum dieser beiden Orbitale interessiert, sie sind nämlich entgegengesetzt orientiert. Schaut man sich nun die räumliche Anordnung dieser 4 Orbitale, also dieser 2 sp-Orbitale + 2 intakter p-Orbitale, so sieht man, dass die sp-Orbitale eine Linie bilden, und die 2 p-Orbitale sich im 90° Winkel dazu orientieren. Auch hier werden wieder Elektronen eingefüllt, nämlich diese 4 Valenzelektronen. Die Bindungspartner, in diesem Falle nehmen wir mal die beiden Sauerstoff-Atome im CO2 angeordnet. Jedes sp-Orbital bildet mit einem O-Atom eine kovalente Bindung. Und jedes dieser p-Orbitale bildet ebenfalls eine weitere kovalente Bindung mit einem O-Atom, wie es hier dargestellt ist. In dieser Zeichnung sind auch noch mal die entsprechenden p-Orbitale in den O-Atomen dargestellt, die mit ihren Pendants, mit ihren Gegenstücken, im C-Atom interagieren und eine Bindung ausbilden. Was hier als gestrichelte lila Linie dargestellt ist, ist jeweils eine halbe Bindung. D.h., wir haben zwischen jedem C-Atom und jedem O-Atom eine kovalente Bindung auf der Basis eines sp-Orbitals und zwei halbe kovalente Bindungen auf Basis der p-Orbitale. Das macht zusammen zwei Bindungen, also eine Doppelbindung. Da die sp-Orbitale entgegengesetzt zueinander angeordnet sind, bilden sie eine Linie, d.h., sie bilden einen 180° Winkel. CO2 ist folglich ein lineares Molekül, d.h., es ist nicht gewinkelt, mit einem Bindungswinkel von 180°. An dieser Stelle noch mal die Frage: Woran erkenne ich wie ein gegebenes C-Atom hybridisiert ist? Nun ja, ganz einfach: - besitzt das Atom 4 Bindungspartner, dann ist es sp3-hybridisiert - besitzt es 3 Partner, dann liegt sp2-Hybridisierung vor - sind es nur 2 Partner, dann haben sp-Hybridisierung. Beispiele dafür sind wie gesagt das Methanmolekül für sp3, das Formaldehyd-Molekül für sp2 und das CO2-Molekül für sp, bzw. das Blausäuremolekül für sp-Hybridisierung. Vielleicht das Ganze noch mal tabellarisch zusammengefasst. Wir haben die sp3-, sp2- und sp-Hybridisierung. Die sp3-Hybridisierung bedeutet, wir haben 4 Bindungspartner, die sp2-Hybridisierung bedeutet, wir haben 3 Bindungspartner, und die sp-Hybridisierung bedeutet, wir haben 2 Bindungspartner. D.h., für sp3 wir haben 4 Einfachbindungen, für sp2, wir haben 2 Einfachbindungen und eine Doppelbindung, und für sp heißt das, wir haben entweder 2 Doppelbindungen oder eine Dreifachbindung und eine Einfachbindung. Und hier noch mal die 4 Beispiele, die wir hatten. Für sp3 das Methanmolekül mit einem Bindungswinkel von 109° und tetraedrischer Geometrie, für sp2 das Formaldehyd mit trigonal-planar Geometrie, d.h., einem 120° Winkel, und für sp das CO2-Molekül mit linearer Geometrie und einem Winkel von 180° bzw. das Blausäuremolekül ebenfalls mit linearer Geometrie und einem Winkel von 180°. Nun noch eine kleine Übung zu dem Problem, wie ich erkenne, welche Hybridisierung bei einem C-Atom vorliegt. Gegeben ist die Strukturformel eines Moleküls, um dessen Namen wir uns jetzt erst mal nicht kümmern wollen, sondern uns interessiert nur die Struktur. Ich nummeriere jetzt die C-Atome dieses Moleküls durch, und schreibe eine Liste hin, C1, C2, C3, usw. bis C7. Und eure Aufgabe ist es dann, dahinter zu schreiben, welche Hybridisierung beim jeweiligen C-Atom vorliegt. Also sp, sp2, sp3 - was auch immer, Hauptsache das Richtige. Dann haltet doch einfach mal das Video an und füllt die Liste aus, ich warte so lange. Fertig? O.k., dann hier die Lösung. Das erste C-Atom ist sp2-hybridisiert, erkennbar daran, dass es 3 Bindungspartner hat, einen mit einer Doppelbindung und zwei mit einer Einfachbindung. Genauso verhält es sich mit dem zweiten C-Atom eine Doppelbindung und zwei Einfachbindungen. Das dritte C-Atom ist sp-hybridisiert, denn es besitzt zwei Bindungspartner, und das vierte C-Atom besitzt genauso zwei Bindungspartner, nämlich einen gebunden über eine Dreifachbindung und einen gebunden über eine Einfachbindung. Das fünfte C-Atom besitzt drei Bindungspartner, einen doppelt gebundenen Sauerstoff und zwei einfach gebundene Kohlenstoff-Atome. Das sechste C-Atom verfügt über vier Bindungspartner, jeweils über eine Einfachbindung an das C-Atom gebunden. Und das siebte C-Atom ganz genauso, beide sind sie sp3-hybridisiert. An dieser Stelle möchte ich noch einmal auf eine durchaus berechtigte Frage eingehen. Und zwar lautet sie: Warum ist die Kenntnis der Hybridisierung denn überhaupt wichtig? Nun ja, durch die Kenntnis der Hybridisierung lässt sich die Molekülform voraussagen. Und die Molekülform wiederum beeinflusst Reaktivität, Polarität und noch andere Eigenschaften eines Stoffes. So, wir haben gerade gelernt, welche Arten der Hybridisierung es beim Kohlenstoff gibt. Weiterhin, wie sich die Hybridisierung auf die Molekülform auswirkt, und weiterhin, warum es sinnvoll ist, die Hybridisierung zu kennen. Und dann hatten wir auch noch geübt, wie man die Art der Hybridisierung eines C-Atoms in einem bestimmtem Molekül erkennt, nämlich daran, wie viele Bindungen es eingeht. Danke fürs Zuschauen und tschüss!    

Informationen zum Video
10 Kommentare
  1. Default

    sehr gutes Video!!!!!!

    Von Anne Goehring 97, vor mehr als einem Jahr
  2. L%c3%a4cheln2

    Ja, zumindest fast immer. Nur wenn etwa die vier Bindungspartner eines sp3-hybridisierten C-Atoms unterschiedlich groß sind, kann es zu leichten Verzerrungen kommen. Aber für den allgemeinen Gebrauch reicht meistens die Regel, wie Du sie formuliert hast.

    Von Götz Vollweiler, vor mehr als 2 Jahren
  3. Default

    Ist eine sp3 hibridisierung immer ein Tetraeder und 109°?
    Und ist ein sp2 immer trigonal planar und 120°?
    Und ist ein sp immer linear und 180°?

    Muss ich das so auswendig lernen? Gilt diese Regel immer?

    Von Lea Seyda, vor mehr als 2 Jahren
  4. Default

    Super Video! Vielen Dank Herr Vollweiler

    Von Jan Ba, vor mehr als 2 Jahren
  5. Default

    Danke!
    Toll gemacht!!!!!!!!!!

    Von Skochova, vor fast 3 Jahren
  1. Default

    Vielen Dank, jetzt habe ich es endlich verstanden! Allein schon die Begrifferklärung hat mir viel gebracht!

    Von Loenig, vor fast 3 Jahren
  2. Default

    Danke für das überaus gute Video, das mir die wirren Veranschaulichungen in meinem Chemieskript endlich klarer werden ließ! Andere Videos zu dem Thema hatten mich eher verwirrt..

    Das einzige, das noch offen bleibt ist folgendes Schema: http://s14.directupload.net/images/130215/x2lzcw9p.jpg

    Was hat es mit den antibindenden und bindenden Molekülorbitalen auf sich?

    Von Alice Bacher, vor fast 4 Jahren
  3. Krck

    super gemacht, bis jetzt mit Abstand das BESTE Video das ich finden konnte. Auch die Übung am Ende is ne sehr gute Idee.

    Hoffe auf mehr Videos =D

    Von Confetti, vor fast 4 Jahren
  4. Default

    sehr schöne Erklärung :D

    Von Christian O., vor fast 4 Jahren
  5. Default

    wow!!! toll erklärt, danke!

    Von Hikari, vor mehr als 4 Jahren
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