[Chemie] Hybridorbitale?
Guten Tag,
ich benötige noch ein bisschen Hilfe, um diesen Textabschnitt zu verstehen. Ich freue mich sehr auf eure hilfreichen Antworten zu meinen Fragen sowie Erklärungen. 🙋♂️
Die einfachste Hybridisierung findet man, wenn Kohlenstoff vier Bindungen eingeht. Hier mischt sich das eine s-Orbital der zweiten Schale mit den drei p-Orbitalen der zweiten Schale zu vier gleichwertigen sp3-Hybridorbitalen. Die hochgestellte Zahl sagt also aus, wie viele der jeweiligen Orbitale zur Hybridisierung genutzt werden, wobei eine 1 nicht mitgeschrieben wird.
- Kohlenstoff befindet sich in der 4. Hauptgruppe (4 Valenzelektronen) und in der 2. Periode (2 Schalen).
- Dann müssen sich doch 2 Valenzelektronen im s-Orbital der 2. Schale befinden und 2 in den p-Orbitalen der 2. Schale. Dafür sind doch lediglich zwei p-Orbitale erforderlich (sie werden ja immer erst jeweils mit einem Elektron besetzt)
- Wieso ist hier aber von 3 p-Orbitalen die Rede?
3 Antworten
Kohlenstoff befindet sich in der 4. Hauptgruppe (4 Valenzelektronen) und in der 2. Periode (2 Schalen).
Soweit richtig. Die Vokabel "Schalen" musst du aus deinem Wortschatz streichen. Wenn man das Orbitalmodell betritt, gibt's nur noch Orbitale. Vergiss die Schalen. Ihr Modell ist minderwertig. 😉
Dann müssen sich doch 2 Valenzelektronen im s-Orbital der 2. Schale befinden und 2 in den p-Orbitalen der 2. Schale.
Dafür sind doch lediglich zwei p-Orbitale erforderlich (sie werden ja immer erst jeweils mit einem Elektron besetzt)
Genau. Man würde also gemäß deiner Beschreibung:
1s²: ••
----------------- ("Schalengrenze" 😀)
2s²: ••
2p¹: •
2p¹: •
2p⁰:
... erwarten.
Die Realität muss aber so aussehen:
1s²: ••
----------------- ("Schalengrenze" 😀)
2s¹: •
2p¹: •
2p¹: •
2p¹: •
Das erkennt man daran, dass alle 4 Bindungen im Methan gleichwertig sind. Deswegen wird postuliert, dass die betroffenen 4 Orbitale zu einem sp³-Hybridorbital verschmelzen, in welchem alle 4 energetisch gleichwertig sind.
Zusammengefasst:
- Eine kovalente Bindung musst du dir vorstellen, wie wenn du deinem Kumpel die Hand gibst: Jeder steuert ein Elektron / eine Hand dazu bei.
- Der Handshake heißt voll besetztes Orbital.
- Wenn der Handshake zu mehreren Kumpels gleichwertig ist, müssen auch die Orbitale energetisch gleichwertig sein.
- Kohlenstoff ist wie ein Tetrapus (Oktopus mit 4 Armen). Alle 4 Arme sind zunächst gleichwertig: sp³-Hybrid
- Wenn eine Doppelbindung dabei ist, besteht diese aus einer Sigma- und einer Pi-Bindung. Pi-Bindungen sind nicht gleichwertig, sondern schlechter. Das ist wie wenn ein Tetrapus an einem Arm Rheuma hat: sp²-Hybrid + p
- Wenn sogar zwei Pi-Bindungen am Kohlenstoffatom dabei sind (entweder aus zwei Doppelbindungen oder einer Dreifachbindung), ist das wie ein Tetrapus, der an zwei Armen Rheuma hat: sp-Hybrid + p + p
Hilft dir das weiter?
- Wofür steht das Wort „Hybrid“ in „Hybridorbital“?
- Aber wieso kann es kein Hybridorbital geben, wenn es zwei Elektronen im s-Orbital der 2. Schale geben würde?
- Wieso könnte 2s^2 2p^2 nicht zu einem solchem Orbital verschmelzen? Das Verständnis fehlt mir hier leider noch 🤯
- Werden in dieser Benennung immer nur die Valenzelektronen berücksichtigt?
Wofür steht das Wort „Hybrid“ in „Hybridorbital“?
Lat: hybrida, ae, c = Mischling. Es handelt sich um eine Mischung der zuvor genannten Orbitale.
Aber wieso kann es kein Hybridorbital geben, wenn es zwei Elektronen im s-Orbital der 2. Schale geben würde?
Wieso könnte 2s^2 2p^2 nicht zu einem solchem Orbital verschmelzen? Das Verständnis fehlt mir hier leider noch 🤯
Das ist, als würde der Tetrapus zwei Arme verwenden, um sich selbst die Hand zu geben. Denn volles Orbital = Handshake. Das liegt aber nicht vor, denn der Kohlenstoff ist ja 4-Bindig.
Einfach besetzt = • = ✋️
Doppelt besetzt = •• = 🤝
sp³-Hybridorbital
Werden in dieser Benennung immer nur die Valenzelektronen berücksichtigt?
Ja, das kann man so sagen. Die nicht-Valenzelektronen interessieren nicht, weil sie in antibindenden Molekülorbitalen verbaut sind. Aber das würde jetzt ein zu großes Fass aufmachen.
Hybridisierung funktioniert nicht, wenn Du für den Kohlenstoff den echten Grundzustand 1s² 2s² 2p² annimmst — Du mußt so tun, als ob die Besetzung 1s² 2s¹ 2p³ („Valenzzustand“) wäre, und das kannst Du dann „umschreiben“ zu 1s² 2(sp³)⁴, bekommst also 4 Elektronen in den sp³-Hybridorbitalen, die vier Bindungen eingehen können.
Der Wechsel vom echten Grundzustand zum Valenzzustand kostet natürlich Energie, die Du natürlich irgendwie verbuchen mußt, wenn Du irgendwelchen quantitativen Aussagen machen willst. Für rein qualitative Aussagen (wie viele Bindungen in welche Richtungen gehen) kannst Du es aber auch ignorieren.
- Aber wie weiß ich, was der „Valenzzustand“ ist?
Du mußt so tun, als ob die Besetzung 1s² 2s¹ 2p³ („Valenzzustand“) wäre, und das kannst Du dann „umschreiben“ zu 1s² 2(sp³)⁴, bekommst also 4 Elektronen in den sp³-Hybridorbitalen, die vier Bindungen eingehen können.
- Für was steht das sp^3? Was bedeuten hier die Buchstaben „s“ und „p“ und was bedeutet die Zahl?
- Wieso steht am Ende ^4? Es befinden sich doch laut „1s² 2(sp³)⁴“ im s-Orbital der 1. Schale 2 Valenzelektronen. Dann können ja keine 4 Valenzelektronen mehr woanders sein: „ 4 Elektronen in den sp³-Hybridorbitalen“
Ich verstehe es leider noch nicht so wirklich und würde mich sehr über eine ausführliche Erklärung freuen 🤯🙋♂️
- In diesem (hypotheischen) Valenzzustand sind die Elektronen möglichst gleichmäßig auf alle Orbitale verteilt (das ist nicht energetisch optimal).
- Die Bezeichnung „sp³“ besagt, daß das Hybridorbital aus einem s und drei p derselben Schale besteht (es gibt dann natürlich vier Stück davon). Manchmal, vor allem in der organischen Chemie, braucht man auch sp² (z.B. Ethen, mit einem Elektron im letzten p für die π-Bindung) oder sp (z.B. Ethin oder Allen).
- Kohlenstoff hat insgesamt 6 Elektronen. Zwei in der inneren Schale, und die anderen vier in je einem sp³-Hybridorbital: (sp³)⁴
Kohlenstoff befindet sich in der 4. Hauptgruppe (4 Valenzelektronen) und in der 2. Periode (2 Schalen).
In der 2. Schale kann es 2n^2, also 8 Elektronen aufnehmen. ( in der ersten Schale nur 2).
Die erste Schale hat ein s-Orbital, das 2 Elektronen aufnehmen kann
Die zweite Schale hat ein s-Orbital und 3p-Orbitale, die jeweils alle 2 Elektronen aufnehmen können
(Die dritte Schale hat ein s-Orbital und 3p-Orbitale und dazu noch d-Orbitale.)
Für Kohlenstoff heißt das, daß es 4 Orbitale in der zweiten Schale hat (s + p(x) + p(y) + p(z) ), die nach der Hundschen Regel alle erst mal nur mit jeweils eine Elektron gefüllt werden. (x,y,z sind einfach nur die Linien eines Koordinatensystems, also die Raumrichtung)
Also ist Kohlenstoff 4-wertig und kann 4 Bindungen eingehen. Die räumliche Anordnung der Bindung mit p(x) + p(y) + p(z) wäre ein 90° Winkel und die Bindung wäre anders als beim s-Orbital. Beim Methan (CH4) gibt es aber 4 identische Bindungen mit 109° Winkel.
Diese entstehen, indem das s-Orbital und die 3p-Orbitale hybridisieren, also miteinander "verschmelzen" und so 4 identische Orbitale bilden. daher der Name sp³ Hybridisierung, also ein 1 s-Orbital mit 3 p-Orbitalen.
Logischerweise verschmelzen bei der sp² Hybridisierung ein 1 s-Orbital mit 2 p-Orbitalen und bei der sp Hybridisierung ein 1 s-Orbital mit 1 p-Orbital. das kommt aber erst später.
m.f.G.
anwesende
.
Für Kohlenstoff heißt das, daß es 4 Orbitale in der zweiten Schale hat (s + p(x) + p(y) + p(z) ), die nach der Hundschen Regel alle erst mal nur mit jeweils eine Elektron gefüllt werden.
Nach der Hundschen Regel wird doch erst das s-Orbital der 2. Schale komplett besetzt, bevor die p-Orbitale der 2. Schale jeweils mit erst einem Elektron besetzt werden
nein, dann wäre das 2s doppelt besetzt und von den 3p Orbitalen wäre eines leer. Das ist energetisch ungünstig und nicht die Hundsche Regel.
https://www.google.com/search?q=hundsche+regel+chemie
Schau aufs PSE: Daher steht Helium am Ende der ersten Zeile und nicht über Beryll.
„Elektronen setzen sich immer zuerst lieber in ein energiearmes Orbital .Nur wenn es vollständig besetzt ist, geht es ins nächste. Vorstellen kann man sich dies wie Tribüne, am liebsten möchten die Elektronen nach unten (niedriges Energieniveau).“
fast richtig weil unvollständig. Aber gerne weiter mit deinem Bild:
Vorstellen kann man sich dies wie Tribüne, am liebsten möchten die Elektronen nach unten (niedriges Energieniveau). Dort setzen sie sich erst mal nebeneinander (einfach besetztes Orbital), bevor sich der erste bei jemand auf den Schoß setzt (doppelt besetzt)
Dein Gedankenfehler ist immer noch, daß du die Hybridisierung vergisst. Es gibt 4 identische SP³ Orbitale und die werden erst einmal einfach besetzt.
Aber hier bei der Hybridiesierung gibt es dann eben nicht die Hundsche Regel… denke ich mal. Denn laut der Hundschen Regel wird erst das s-Orbital der 2. Schale voll besetzt.
ChatGPT schreibt:
Du sprichst einen wichtigen Punkt an: Hybridisierung ist ein spezielles Konzept, das die Aufteilung von Elektronen in Orbitale anders betrachtet als die reine Hundsche Regel. Lass uns den Unterschied klären!
Grundzustand (ohne Hybridisierung):
Im Grundzustand eines Kohlenstoffatoms gilt die normale Elektronenkonfiguration:
• Das 2s-Orbital ist vollständig besetzt (mit 2 Elektronen).
• Die beiden verbleibenden Elektronen besetzen die -Orbitale gemäß der Hundschen Regel, sodass sie maximal ungepaart sind.
Hybridisierung und Aufhebung der Hundschen Regel:
Wenn Kohlenstoff Hybridisierung eingeht (z. B. bei einer -Hybridisierung in Methan), verändert sich die Verteilung der Elektronen in den Orbitalen:
1. Promotion eines Elektrons:
• Ein Elektron wird vom -Orbital in eines der -Orbitale “angehoben”.
• Die Konfiguration wird:
2. Mischung der Orbitale:
• Das -Orbital und die drei -Orbitale “vermischen” sich zu vier gleichwertigen -Hybridorbitalen.
• Diese Hybridorbitale sind energetisch gleichwertig und enthalten jeweils ein Elektron, das für die Bindung bereitsteht.
Warum gilt die Hundsche Regel hier nicht mehr?
Die Hundsche Regel beschreibt den Grundzustand eines Atoms, in dem die Elektronen die Orbitale mit der niedrigsten Energie so besetzen, dass sie maximal ungepaart bleiben. Bei der Hybridisierung passiert jedoch Folgendes:
• Durch die Anregung eines Elektrons und die Mischung der Orbitale entsteht ein neuer, energetisch stabiler Zustand, der speziell für die chemische Bindung geeignet ist.
• In diesem hybridisierten Zustand gilt die normale Hundsche Regel nicht mehr, weil die Orbitale (z. B. ) neu angeordnet und gleichwertig sind.
Fazit:
Im Grundzustand wird das -Orbital vollständig besetzt, bevor die -Orbitale Elektronen aufnehmen, gemäß der Hundschen Regel.
Bei der Hybridisierung wird diese Regel durch die Anregung eines Elektrons und die Neuanordnung der Orbitale aufgehoben, sodass alle Hybridorbitale gleichwertig werden und jeweils ein Elektron enthalten.
Hör auf so unnötig kompliziert zu denken ;-)
Erst kommt die Hybridisierung, dann die Besetzung nach der Hundschen Regel. Denn dann sind alle 4 Orbitale identisch und die Hundsche Regel sagt, daß bei identischen Orbitalen erst mal jedes einfach besetzt wird.
Die Hundsche Regel gilt hier doch dann gar nicht :D oder? Schau dir mal das an was ChatGPT geschrieben hat
sorry, aber das ist Müll. Die Hundsche regel beschreibt absolut null den Grundzustand. Die einzige Aussage der Hundschen Regel ist:
identische Orbitale werden erst mal jedes einfach besetzt.
sonst nichts
Ja, identische Orbitale. Aber das s-Orbital der 2. Schale ist nicht identisch mit den p-Orbitalen der 2. Schale. Und bei der Hybridisierung gilt dann ja die Hundsche Regel nicht?
was genau verstehst du an diesem Satz nicht:
In der Chemie wird oft nur eine einzige Hundsche Regel verwendet, die 1927 von Friedrich Hund selbst rein empirisch gefunden wurde und inhaltlich der zweiten der oben aufgeführten Regeln entspricht. Sie besagt: Wenn für die Elektronen eines Atoms mehrere Orbitale/Nebenquanten mit gleichem Energieniveau zur Verfügung stehen, werden diese zuerst mit je einem Elektron mit parallelem Spin besetzt (formeller Begriff: „Maximale Multiplizität“). Erst wenn alle Orbitale des gleichen Energieniveaus mit jeweils einem Elektron gefüllt sind, werden sie durch das zweite Elektron vervollständigt.
https://de.wikipedia.org/wiki/Hundsche_Regeln#Die_Hundsche_Regel_der_Chemie
Ganz ehrlich: Du kannst gerne die Spitzfindigkeiten eines Quantenphysikers bezüglich Grundzustand und Hundsche Regel(n) anbringen, aber dann musst du auch auf dem Niveau eine Quantenphysikers sein. Sonst kommt genau dieser ChatGPT Müll dabei raus. In der Schulchemie kommt erst die Hybridisierung, dann die Besetzung nach der Hundschen Regel.