Auf der Seite zum Orbitalmodell habe ich die unterschiedlichen Orbitale einer Elektronenschale nach den Drehimpulsquantenzahlen klassifiziert. Es gibt hiernach s-Orbitale, p-Orbitale, d-, f-, g-Orbitale und so weiter. Diese Einteilung der Orbitale ist gerechtfertigt, wenn der Drehimpuls eine Erhaltungsgröße der Bewegung ist. In einem Atom ist das immer der Fall. Erhaltungsgrößen treten nämlich überall dort auf, wo es Symmetrien gibt. Ein Atom ist Rotationssymmetrisch. Es kann um jeden beliebigen Winkel gedreht werden ohne dass sich die Anziehungskraft des Atomkerns auf die Elektronen ändert. Solch eine Rotationssymmerie ist immer mit der Erhaltung des Drehimpulses verbunden und deshalb kann man die Orbitale eines Atoms nach s-, p-, d- usf. klassifizieren.
Die Rotationssymmetrie eines Atoms kann jedoch durch eine äußere Kraft gebrochen werden. Bringt man zum Beispiel ein anderen Atom in die Nähe eines Atoms, so sind nicht mehr alle Richtungen für die Elektronen gleich. Sie werden meist von dem anderen Atom angezogen und neigen nun dazu ihre Kugelform aufzugeben und eine längliche Form einzunehmen. Quantenmechaniker können Orbitale erzeugen, die dieses Verhalten der Elektronen wiederspiegeln, indem sie unterschiedliche Orbitale miteinander mischen. So gibt die Mischung des pz-Orbitals mit dem s-Orbital zwei unsymmetriech Orbitale. Eins das eine größere Elektronendichte nach oben hat und eines das eine größere Elektronendichte nach unten hat. Solche Orbitale heissen Hybridorbitale. In diesem Fall handelt es sich um eine sp-Hybridisierung. Solche Hybridisierungen spielen eine große Rolle in der kovalenten Bindung der Chemie. Dreifach gebundene Kohlenstoff-Atome enthalten sp-Hybridorbitale.
Wenn man s-Orbitale mit p-Orbitalen mischt kann man natürlich noch andere Hybridisierungen (=Mischungen) erreichen. Schließlich gibt es drei unterschiedliche p-Orbitale. Mischt man zwei dieser p-Orbitale mit dem s-Orbital, so spricht man von einer sp2-Hybridisierung. Hier erhält man drei Orbitale, die ein gleichseitiges Dreieck in einer Ebene bilden. Kohlenstoff ist sp2-hybridisiert, wenn er als Graphit auftritt. Die Kohenstoffatome bilden so stabile Ebenen, die sich leicht voneinander abreiben lassen. Daher kann man Graphit zum Zeichnen, aber auch als Schmiermittel verwenden.
Die vollständige Mischung aller drei p-Orbitale mit dem s-Orbital heißt sp3-Hybridisierung. Die vier sp3-Hybridorbitale bilden eine dreidimensionale Struktur mit gleichen Winkeln zwischen allen Orbitalen: Einen Tetraeder. Kristalle mit sp3-hybridisierten Atomen sind besonders hart. Das wichtigste Beispiel hierfür ist der Diamant, der aus sp3-hybridisiertem Kohlenstoff besteht. Die entsprechende Kristallstruktur heißt daher Diamant-Struktur.
Neben diesen drei Hauptvertretern von Hybridorbitalen, kann man unzählige andere Konstellationen bilden. Zum einen indem man andere Orbitale, wie s und f oder p und d miteinander mischt, zum anderen indem man die Orbitale nur unvollständig mischt. Man kann zum Beispiel eine Zwischenform aus sp-Hybridisierung und sp3-Hybridisierung herstellen, die keinen Tetraeder sondern eine langezogene Pyramide bildet. Hybridisierung ist also ein allgemeines Vorgehen, mit dem man Orbitale maßschneidern kann, die bestimmte chemische Bindungen optimal beschreiben.
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Letzte Änderung: 21.10.2005