Dreifachbindungen, Kumulene und sp-Kohlenstoff
Wie die C≡C-Dreifachbindung aus einer σ- und zwei π-Bindungen aufgebaut ist und woran man sp-hybridisierte Atome in Alkinen, Nitrilen, Kumulenen, Ketenen und \(\ce{CO2}\) erkennt.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein sp-hybridisiertes Atom hat zwei σ-Partner und ist linear (180°) umgeben. Es tritt an Dreifachbindungen und an Atomen mit zwei Doppelbindungen auf.
- Die C≡C-Dreifachbindung besteht aus einer rotationssymmetrischen σ-Bindung und zwei π-Bindungen, deren p-Orbitale im Ethin senkrecht zueinander stehen.
- Das C-Atom der Nitrilgruppe ist sp, etwa in \(\ce{HCN}\) und Benzonitril. In Cyansäure \(\ce{HO-C#N}\) ist der Winkel O–C≡N daher 180°.
- Ein Kumulen hat direkt aufeinanderfolgende C=C-Bindungen. Im Allen ist nur das zentrale C sp, die Endgruppen sind sp² und um 90° verdreht.
- Das Carbonyl-C von Ketenen wie Diphenylketen und das C in \(\ce{CO2}\) sind sp, nicht sp².
- Die Bindungsenergie steigt in der Reihe F–F < C–C < C=C < C≡C < N≡N.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Ein Atom mit nur zwei Bindungspartnern ist sp-hybridisiert und linear umgeben. Das betrifft Alkine, Nitrile, Kumulene, Ketene und Kohlendioxid, in Arzneistoffen etwa die Ethinylgruppe im Ethinylestradiol oder die Nitrilgruppe im Citalopram. Wer diese Atome in Strukturformeln sicher erkennt, kann Geometrie und Bindungsstärke direkt ableiten.
Aufbau der C≡C-Bindung
Ein Kohlenstoffatom mit einer Dreifachbindung hat nur zwei Bindungspartner. Nach dem Modell der Hybridisierung mischt es dafür ein s- und ein p-Orbital zu zwei sp-Hybridorbitalen. Diese zeigen in entgegengesetzte Richtungen, der Winkel beträgt 180°. Die beiden übrigen p-Orbitale bleiben unhybridisiert. Sie stehen senkrecht zur Achse und senkrecht zueinander.
Im Ethin (Acetylen, \(\ce{HC#CH}\)) überlappen zwei sp-Orbitale frontal zur C–C-σ-Bindung. Sie ist rotationssymmetrisch um die Kernverbindungsachse. Die beiden anderen sp-Orbitale binden je ein H-Atom. Die p-Orbitale überlappen seitlich und bilden zwei π-Bindungen.
Weil die beteiligten Orbitale \(p_y\) und \(p_z\) senkrecht aufeinander stehen, liegen auch die beiden π-Bindungen in senkrechten Ebenen. Zusammen umhüllen sie die Achse wie ein Zylindermantel aus Elektronendichte.
Das gilt für jedes Alkin: Beide Dreifachbindungs-C-Atome sind sp-hybridisiert. Weitere funktionelle Gruppen ändern daran nichts. Im But-3-inal (\(\ce{OHC-CH2-C#CH}\)) sind C3 und C4 sp, das Carbonyl-C ist sp² und die \(\ce{CH2}\)-Gruppe sp³. Ethin selbst besteht nur aus sp-C-Atomen und enthält kein sp²-C. Herstellung, Acidität und Reaktionen der Stoffklasse behandelt die Einheit Alkine.
Nitrile und HCN
Die Nitrilgruppe \(\ce{-C#N}\) ist das Stickstoff-Gegenstück zur C≡C-Bindung. Ihr C-Atom hat zwei σ-Partner: den Rest R und den Stickstoff. Es ist deshalb sp-hybridisiert. Auch der Stickstoff ist sp, sein zweites sp-Orbital trägt das freie Elektronenpaar.
Das gilt in der Blausäure \(\ce{HCN}\) genauso wie im aromatischen Benzonitril \(\ce{C6H5-C#N}\). Im Benzonitril sind die Ring-C-Atome sp², nur das Nitril-C ist sp. Dass das C-Atom in \(\ce{HCN}\) sp und nicht sp² ist, wird im Examen gerne gefragt: Maßgeblich ist die Dreifachbindung, nicht die Art des Partneratoms.
Aus der sp-Hybridisierung folgt die lineare Geometrie. In der Cyansäure \(\ce{HO-C#N}\) beträgt der Winkel O–C≡N daher 180°. Gewinkelt ist nur die H–O–C-Einheit, denn der Sauerstoff trägt zusätzlich zwei freie Elektronenpaare.
Kumulene, Ketene und CO₂
Ein sp-Atom entsteht nicht nur durch eine Dreifachbindung. Auch zwei Doppelbindungen am selben Atom lassen ihm nur zwei σ-Partner. Es braucht dann ebenfalls zwei p-Orbitale für die π-Bindungen und ist sp-hybridisiert.
Ein Kumulen ist eine Verbindung mit zwei oder mehr direkt aufeinanderfolgenden (kumulierten) C=C-Doppelbindungen. Die inneren C-Atome sind sp-hybridisiert, die beiden endständigen sp².
Der einfachste Vertreter ist Allen (Propa-1,2-dien, \(\ce{H2C=C=CH2}\)). Sein zentrales C-Atom ist sp, die beiden \(\ce{CH2}\)-Gruppen sind sp². Das zentrale C bildet seine zwei π-Bindungen mit zwei senkrecht stehenden p-Orbitalen, wie im Ethin. Jede π-Bindung legt die Ebene der angrenzenden \(\ce{CH2}\)-Gruppe fest. Deshalb sind die beiden Endgruppen um 90° gegeneinander verdreht.
Ersetzt man eine endständige \(\ce{CH2}\)-Gruppe durch Sauerstoff, erhält man ein Keten \(\ce{R2C=C=O}\). Dessen Carbonyl-C trägt zwei Doppelbindungen und ist sp. Diphenylketen \(\ce{(C6H5)2C=C=O}\) enthält also ein sp-C. Im Kohlendioxid \(\ce{O=C=O}\) hat das C-Atom ebenfalls zwei Doppelbindungen. Es ist sp und nicht sp², das Molekül ist linear.
Auch Benzonitriloxid \(\ce{C6H5-C#N^+-O^-}\) enthält sp-Atome, nämlich C und N der linearen C≡N–O-Einheit. Anders ist es beim Pyridin-N-oxid, denn dessen Stickstoff hat drei σ-Partner: zwei Ring-C-Atome und den Sauerstoff. Er ist wie alle Ringatome sp², ein sp-Atom fehlt im Molekül.
Das zentrale C von Allen, das Carbonyl-C von Ketenen wie Diphenylketen und das C in \(\ce{CO2}\) sind sp-hybridisiert. Achte darauf, dass Doppelbindungen nicht automatisch sp² bedeuten: Entscheidend ist die Zahl der σ-Partner, und zwei Partner ergeben sp.
Bindungsenergien im Vergleich
Mehr Bindungen zwischen denselben Atomen halten diese fester zusammen. Die mittlere Bindungsdissoziationsenergie steigt daher von C–C über C=C zu C≡C. Sie verdoppelt oder verdreifacht sich aber nicht. Eine π-Bindung überlappt seitlich und ist schwächer als die σ-Bindung.
| Bindung | mittlere Bindungsenergie |
|---|---|
| F–F | ca. 158 kJ/mol |
| C–C | ca. 348 kJ/mol |
| C=C | ca. 614 kJ/mol |
| C≡C | ca. 839 kJ/mol |
| N≡N | ca. 945 kJ/mol |
An der Spitze steht die N≡N-Bindung des Stickstoffs. Sie ist noch stärker als C≡C und erklärt die Reaktionsträgheit von \(\ce{N2}\). Am unteren Ende steht F–F. Dort stoßen sich die freien Elektronenpaare der kleinen Fluoratome ab und schwächen die Bindung.
Quiz
Aussage 1
Benzonitril enthält neben sp²-Ring-C-Atomen ein sp-hybridisiertes C-Atom in der Nitrilgruppe.
Das Nitril-C hat zwei σ-Partner (Ring-C und N) und ist sp, die aromatischen Ring-C-Atome sind sp².
Aussage 2
Im Ethin liegen die beiden π-Bindungen in derselben Ebene.
Die beiden π-Bindungen entstehen aus den \(p_y\)- und \(p_z\)-Orbitalen und liegen in zueinander senkrechten Ebenen.
Aussage 3
Im Allen \(\ce{H2C=C=CH2}\) sind alle drei Kohlenstoffatome sp-hybridisiert.
Nur das zentrale C-Atom ist sp. Die beiden endständigen \(\ce{CH2}\)-Gruppen haben drei σ-Partner und sind sp².
Aussage 4
Die N≡N-Bindung ist stärker als die C≡C-Bindung.
Mit ca. 945 kJ/mol steht N≡N an der Spitze der Reihe F–F < C–C < C=C < C≡C < N≡N.
Aussage 5
Das Kohlenstoffatom im \(\ce{CO2}\) ist sp²-hybridisiert, weil es Doppelbindungen trägt.
Mit zwei Doppelbindungen hat das C-Atom nur zwei σ-Partner. Es ist daher sp-hybridisiert, und das Molekül ist linear.
Aussage 6
In Cyansäure \(\ce{HO-C#N}\) ist der Bindungswinkel O–C≡N linear.
Das C-Atom ist sp-hybridisiert, daher beträgt der Winkel O–C≡N 180°. Gewinkelt ist nur die H–O–C-Einheit.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.