Ein wichtiges Modell in der Chemie zur Erklärung der Gestalt vieler Moleküle ist die Hybridisierung im Rahmen des Orbitalmodells. In diesem Artikel soll die Hybridisierung anhand des Methanmoleküls erklärt werden.
Das Orbitalmodel der Chemie

Das Orbitalmodell ist das modernste Atommodell in der Physik und der Chemie (Stand 07/2013).
Die Orbitale beschreiben den Aufenthaltswahrscheinlichkeitsbereich von Elektronen um den Atomkern.
Man unterscheidet verschiedene Arten von Orbitalen: die einfachsten sind die s- und die p-Orbitale.
s-Orbitale sind sphärisch, das bedeutet, sie sind kugelförmig. p-Orbitale sind hantelförmig.
Mit jeder Periode, die man im Periodensystem der Elemente nach unten geht, kommt eine Elektronenschale um den Kern hinzu und eine Schale besteht aus einem s-, drei p- und unter Umständen weiteren komplizierteren Orbitalen.
Die drei p-Orbitale pro Schale unterscheiden sich in ihrer Orientierung im Raum - man spricht von je einem px-, py- und pz-Orbital. Sie besitzen aber alle die gleiche Energie, man nennt sie entartet.
Jedes Orbital kann mit maximal zwei Elektronen, die sich in ihrem Spin unterscheiden müssen, belegt sein.

Hybridisierung am Beispiel von Methan

Das klassische Beispiel in der Chemie, um die Hybridisierung zu erklären, ist das Methanmolekül CH4.
Das Kohlenstoffatom besitzt vier Valenzorbitale - das 2s-Orbital und die drei 2p-Orbitale. Seine Elektronenkonfiguration ist 1s²2s²2p².
Im Methan sind vier Wasserstoffatome an das Kohlenstoffatom gebunden. Alle H-C-H-Winkel betragen 109,5° (idealer Tetraederwinkel) und alle vier C-H-Abstände sind 108,7 pm lang. Doch wie ist es möglich, dass die vier Wasserstoffatome gleich gebunden sind, obwohl für die Bindungen zwei Sorten von Orbitalen vom Kohlenstoffatom zur Verfügung gestellt werden?
Die Lösung bietet die Hybridisierung der Orbitale. Das sphärische 2s-Orbital und die drei hantelförmigen 2p-Orbitale mischen sich und es entstehen vier gleiche sp³-Orbitale. sp³-Orbitale sind ebenfalls wie Hanteln geformt, allerdings ist eine Seite der Hantel um einiges größer als die andere. Außerdem haben die neu entstandenen sp³-Orbitale alle die gleiche Energie, die zwischen der Energie des s-Orbitals und der der p-Orbitale liegt (die Hybridorbitale sind entartet).
Jedes sp³-Orbital des Kohlenstoffatoms steht nun einer C-H-Bindung zur Verfügung, und da alle Bindungen von den gleichen Orbitalen gebildet werden, sind sie alle gleich lang und schließen den gleichen Winkel ein.
s- und p-Orbitale können auch andere Hybridisierungen eingehen: ein s- und zwei p-Orbitale bilden drei sp²-Orbitale und ein s- und ein p-Orbital bilden zwei sp-Orbitale. Alle Hybridorbitale aus s und p sind hantelförmig, lediglich die Größendifferenz zwischen den beiden Hälften variiert.