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Wie trickst C damit die 4 Außenelektronen in verschiedenen Energieniveaus gleichwertige Bindungen eingehen können?
Kohlenstoff (C) steht im Periodensystem der Elemente in der vierten Hauptgruppe und besitzt vier Außenelektronen. Die vier Außenelektronen befinden sich in seinen 2s- und 2p-Orbitalen: Zwei davon im 2s-Orbital und die anderen zwei in zwei der drei 2p-Orbitale. Im Grundzustand würden diese Elektronen daher nicht vier gleichwertige Bindungen eingehen können, da die Energielevel der 2s- und 2p-Orbitale nicht identisch sind. Der "Trick", mit dem Kohlenstoff dieses Problem umgeht, ist die sogenannte Hybridisierung.
Hybridisierung:
Bei der Hybridisierung werden die 2s- und 2p-Orbitale gemischt, um neue, energetisch äquivalente Orbitale zu erzeugen, die sogenannten sp\(^3\)-Hybridorbitale. Diese Hybridorbitale haben die gleiche Energie und ermöglichen es dem Kohlenstoffatom, vier gleichwertige σ-Bindungen mit anderen Atomen einzugehen. Der Prozess läuft wie folgt ab:
1.
Anregung: Zunächst wird das Kohlenstoffatom angeregt, was bedeutet, dass eines der Elektronen aus dem 2s-Orbital in eines der leeren 2p-Orbitale gehoben wird. Jetzt besitzt das Kohlenstoffatom ein ungepaartes Elektron in jedem der vier Orbitale: einem 2s- und drei 2p-Orbitalen.
2.
Hybridisierung: Anschließend findet die eigentliche Hybridisierung statt, bei der das 2s-Orbital mit den drei 2p-Orbitalen gemischt wird, um vier neue, energetisch gleiche sp\(^3\)-Hybridorbitale zu bilden.
3.
Bindung: Diese vier Hybridorbitale sind räumlich so angeordnet, dass sie die Ecken eines Tetraeders bilden, mit Winkeln von ungefähr 109,5° zueinander. Sie können jetzt vier gleichwertige σ-Bindungen mit anderen Atomen eingehen, was für die vielfältigen organischen Verbindungen und Strukturen, die Kohlenstoff bilden kann, grundlegend ist.
Kurz gesagt, die Hybridisierung erlaubt es dem Kohlenstoffatom, trotz ursprünglich unterschiedlicher Energieniveaus seiner Außenelektronen vier gleichwertige Bindungen einzugehen, indem es Hybridorbitale bildet, die identische Eigenschaften haben. Dies erklärt die besondere Fähigkeit von Kohlenstoff, die Grundlage für die komplexe Chemie der organischen Verbindungen zu bilden.
