Hybridisierung am Beispiel von Methan
Erfahre, wie Kohlenstoff mit vier Bindungen möglich ist! Hybridisierung bedeutet das Verschmelzen von Atomorbitalen. Im Fokus steht die ${sp}^3$-Hybridisierung am Beispiel des Methanmoleküls. Sei gespannt auf die Entdeckung seiner Tetraederstruktur. Interessiert? Das und vieles mehr findest du im folgenden Text!

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Hybridisierung am Beispiel von Methan Übung
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Gib an, aus welchen Orbitalen die Hybridorbitale des Methan bestehen.
TippsEin $sp^3$-Orbital sieht aus wie eine unförmige Keule.
Überlege dir die Elektronenkonfiguration von Wasserstoff und Kohlenstoff.
Wasserstoff hat die Elektronenkonfiguration $1s^1$. Kohlenstoff hat die Elektronenkonfiguration $2s^2 2p^2$.
Für die Hybridisierung wird zunächst ein 2s-Orbital des Kohlenstoffs auf das Niveau der 2p-Orbitale gebracht, es wird promotiert.
LösungDie vier hybridisierten $sp^3$-Orbitale des Methanmoleküls bestehen aus dem 2s-Orbital und den drei 2p-Orbitalen des Kohlenstoffs. Zuvor wurde nämlich das zweite 2s-Elektron auf das Niveau der 2p-Orbitale gebracht. Sie bilden die vier $sp^3$-Hybridorbitale, die eine Überlappung mit den Atomorbitalen des Wasserstoffs ermöglichen.
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Benenne die folgenden Orbitale.
TippsEines der Orbitale ist das Ergebnis der Mischung der anderen beiden Orbitale.
Lösung$s$-Orbitale sind klein und kugelförmig. Etwas größer sind die keulenförmigen $p$-Orbitale. Eine Mischung aus einem $s$- und drei $p$-Orbitalen ist das ungleichförmige $sp^3$-Hybridorbital.
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Ordne die Orbitale nach ihrem Energieniveau.
TippsDie Orbitale werden mit höherer Energie komplexer.
LösungDie verschiedenen Orbitale besitzen ein unterschiedliches Energieniveau. Das energieärmste ist das s-Orbital. Etwas energiereicher ist das p-Orbital. Danach kommt das d-Orbital. Am energiereichsten ist das f-Orbital.
Natürlich gibt es das dir sicher schon bekannte Schema zum Energieniveau der Orbitale. Daran siehst du, dass es ab dem 4s-Orbital nicht mehr ganz chronologisch weitergeht. Darauf folgt nämlich das 3d-Orbital und danach das 4p-Orbital. So kommt diese auf den ersten Blick ungeordnete Reihenfolge zustande.
Nach der Hundschen Regel werden die Orbitale gleicher Energie zuerst einfach, danach doppelt belegt.
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Gib an, wie folgende Moleküle hybridisiert sind.
Tipps$sp^3$-Hybridisierungen sind tetraedrisch, $sp^2$-Hybridisierungen sind trigonal planar und $sp$-Hybridisierungen sind linear.
LösungDurch unterschiedliche Hybridisierungen entstehen auch unterschiedliche Strukturen. Bei einer $sp^3$-Hybridisierung, wie bei Methan, Ammoniak oder Wasser, entsteht ein Tetraeder. Dies ist bei Ammoniak und Wasser durch die freien Elektronenpaare möglich, die das Molekül in die entsprechende Struktur drücken. Freie Elektronenpaare benötigen immer etwas mehr Freiraum.
Bei einer $sp^2$-Hybridisierung, wie bei Ethen, die durch die Doppelbindung zwischen den Kohlenstoffatomen entsteht, bildet sich eine trigonal-planare Struktur. Beteiligt sind demnach ein $s$-Orbital und 2 $p$-Orbitale.
Linear sind solche Moleküle, die eine $sp$-Hybridisierung besitzen, wie Ethin. Es besitzt eine Dreifachbindung zwischen den Kohlenstoffatomen, weshalb an der Hybridisierung nur jeweils ein $s$- und ein $p$- Orbital beteiligt sind.
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Gib die Elektronenkonfigurationen von Wasserstoff und Kohlenstoff an.
TippsDie hochgestellte Zahl entspricht in der Summe der Gesamtanzahl der Elektronen des Atoms.
Die Anzahl der Elektronen entspricht der Ordnungszahl eines Elementes.
Die Energieniveaus haben folgende Reihenfolge:
LösungWasserstoff steht an Position eins im Periodensystem. Es besitzt ein Elektron. Laut der Reihenfolge der Energieniveaus besitzt es ein s-Orbital, das nur durch ein Elektron besetzt ist. Es besitzt also die Elektronenkonfiguration $1s^1$.
Genauso geht man bei Kohlenstoff vor. Es steht an sechster Stelle im Periodensystem und besitzt 6 Elektronen. Das 1s-Orbital kann maximal durch zwei Elektronen besetzt werden. Es sind also noch 4 Elektronen übrig. Weiter geht die Elektronenbesetzung mit dem 2s-Orbital, danach mit dem 2p-Orbital. Die Elektronenkonfiguration von Kohlenstoff lautet also $1s^2 2s^2 2p^2$.
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Ergänze die Hybridisierung zu folgenden C-Atomen.
TippsDreifachbindungen besitzen eine $sp$-Hybridisierung.
LösungKohlenstoffatome mit Einfachbindungen sind $sp^3$-hybridisiert. Kohlenstoffe mit einer Doppelbindung sind dagegen $sp^2$-hybridisiert. Dreifachbindungen verursachen eine $sp$-Hybridisierung.
Das lässt sich auch gut an den Bindungswinkeln im Molekül erkennen. Einfach gebundener Kohlenstoff ist tetraedrisch umgeben. Bei einer Doppelbindung entsteht eine trigonal-planare Umgebung und bei einer Dreifachbindung beträgt der Winkel 180°. Die beiden C-Atome sind also linear angeordnet.
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