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Hybridisierung und VSEPR

Das Methan-Molekül ( sp 3 )

Als erstes mehratomiges Molekül soll das Methan-Molekül CH4 behandelt werden. Die vier H-Atome des Moleküls sind, was sich experimentell leicht nachweisen lässt, regelmäßig tetraedrisch um das zentrale C-Atom angeordnet:

Tab.1
CH4 CH4 (Geometrie) CH4 (Stereoformel)
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Abb.1
Abb.2
Abb.3

Auf diese Weise sind die gegenseitigen Wechselwirkungen sowohl zwischen den H-Kernen als auch zwischen den Bindungselektronen am geringsten. Diese Konfiguration ist also energieärmer als andere denkbare Strukturen. Die Interpretation der Struktur mit den bisherigen theoretischen Kenntnissen und Annahmen stößt jedoch auf Schwierigkeiten. Der Kohlenstoff besitzt im Grundzustand die Elektronenkonfiguration 2s2 2p2,

Abb.4

was eigentlich ein Molekül CH2 erwarten ließe. Solche Moleküle sind zwar bekannt, jedoch nur als instabile kurzlebige Zwischenstufen von Reaktionen. Die Möglichkeit, vier Bindungen einzugehen, besteht für das C-Atom nur, wenn vier einfach besetzte Orbitale vorhanden sind. Man muss daher annehmen, dass ein Elektron vom 2s- in ein 2p-Orbital angeregt wird.

Abb.5

Diesen energiereicheren Zustand bezeichnet man als Valenzzustand. Dieser Valenzzustand kann experimentell nicht nachgewiesen werden, sondern stellt nur eine gedankliche Konstruktion zum besseren Verständnis der Bindungsverhältnisse dar.

Würde nun das 2s- und die drei 2p-Orbitale je eine kovalente Bindung mit den vier H-Atomen bilden, so würden drei gleichwertige Bindungen und eine davon in ihrer Qualität abweichende resultieren. Die vier C-H-Bindungen erweisen sich aber experimentell als völlig gleichartig. Dieser Schwierigkeit entzieht man sich dadurch, dass man mathematisch die vier Wellenfunktionen 2s, 2px, 2py, 2pz miteinander kombiniert (mischt).

Tab.2
2s 2px 2py 2pz sp3-Hybridorbital
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Abb.
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Abb.
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Die Kombination der vier Orbitale liefert vier neue Orbitale, manchmal auch als q-Orbitale bezeichnet, oder gemeinsam betrachtet ein sp 3 -Hybrid. In diesem Hybrid ist die tetraedrische Form des Methan-Moleküls bereits vorgebildet und die Erklärung seiner Entstehung bereitet nun keine Schwierigkeiten mehr, wenn man jedes der vier Hybridorbitale mit je einem 1s-Orbital eines H-Atoms überlappen lässt.

Abb.6
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