Hybridorbital

Vier sp3-Orbitale richten sich tetraedrisch in gleichem Winkel zueinander aus.

Ein Hybrid-Orbital ist ein Orbital, das rechnerisch aus einer Linearkombination der Wellenfunktionen der grundlegenden Atomorbitale entsteht. Diesen Modellierungsvorgang nennt man Hybridisierung der Orbitale.

Mechanismus

Drei sp2-Orbitale richten sich in einer Ebene symmetrisch (trigonal) zueinander aus.

Die durch Quadrierung der Wellenfunktion der jeweiligen Elektronen erzeugten Orbitale stimmen nicht immer mit den aufgrund chemischer Eigenschaften zu vermutenden Formen überein. So stellt man fest, dass das Kohlenstoffatom in der äußeren Elektronenschale zwei s- und zwei p-Elektronen besitzt. Dementsprechend müssten diese Orbitale bei den C-H-Bindungen im Methan zu unterschiedlichen Bindungen führen. Tatsächlich stellt man aber fest, dass die vier Bindungen gleichartig und nicht unterscheidbar sind. Dies kann man durch sp³-Hybridisierung erklären: Das doppelt besetzte, kugelförmige s-Orbital wird mit den drei einfach beziehungsweise nicht besetzten hantelförmigen p-Orbitalen zu vier gleichen, kegelförmigen sp³-Hybridorbitalen kombiniert, die mit je einem Elektron besetzt sind. Diese richten sich tetraedrisch im Raum aus und bilden mit den s-Elektronen des Wasserstoffs gleiche Atombindungen. Das so entstandene Modell entspricht den beobachteten Eigenschaften des Methans.

Carbokationen (Carbeniumionen) sind grundsätzlich sp²-hybridisiert, damit das leere Orbital 100% p-Charakter hat und somit kein s-Anteil "verschwendet" wird (-> Bentsche Regel).

Physikalische Interpretation

sp³ Hybridisierung bei dem Methan.

Orbitale ergeben sich als Lösung des Einelektronenproblems (Wasserstoffatom) in der Quantenmechanik. Dabei ist aufgrund des Zentralfeldes des Atomkerns der Drehimpuls eine Erhaltungsgröße. Außerdem sind die Lösungen der Schrödingergleichung ab der 2. Schale bezüglich des Drehimpulses entartet. Das bedeutet, jede Überlagerung von Wellenfunktionen der gleichen Schale mit unterschiedlichem Drehimpuls ist wieder eine Lösung und beschreibt somit ein mögliches Orbital. Somit ergeben sich beispielsweise die sp³- und sp²-Hybridorbitale als Überlagerung von s- und p- Orbitalen.

Die Hybridorbitale bilden wie alle an Atombindungen beteilige Orbitale durch Mischung mit den Orbitalen der Nachbarmoleküle Molekülorbitale.

Beispiele

Hybridisierung	Ausrichtung	Beispiele
sp	linear	HgCl2, Ethin
sp2	trigonal	BF3, Graphit, Ethen
sp3	tetraedrisch	CH4, Diamant
dsp3	trigonal-bipyramidal	PF5
d2sp3	oktaedrisch	SF6
dsp2	quadratisch	Kupferkomplexe

siehe auch

Molekülorbital, Chemische Bindung, Komplexchemie