Formalladung und Hybridisierung berechnen – mit kostenlosem Rechner

Was die Formalladung ist

Die Formalladung ist die Ladung, die ein Atom hätte, wenn jede Bindung einer Lewis-Formel gleichmäßig zwischen ihren beiden Atomen geteilt wäre. Sie ist ein Buchhaltungswerkzeug. Sie zeigt, wo die Ladung eines Ions in einer bestimmten Lewis-Formel sitzt, und hilft, unter mehreren die beste Formel zu wählen.

Die Formel lautet FL = V − N − B/2.

• V ist die Zahl der Valenzelektronen des freien Atoms. Bei Hauptgruppenelementen entspricht sie der Hauptgruppennummer: C = 4, N = 5, O = 6, F und Cl = 7.
• N ist die Zahl der nichtbindenden Elektronen am Atom. Jedes freie Elektronenpaar zählt als 2.
• B ist die Zahl der bindenden Elektronen um das Atom. Eine Einfachbindung zählt als 2, eine Doppelbindung als 4 und eine Dreifachbindung als 6. B/2 ist einfach die Zahl der Bindungen.

Die Formalladungen aller Atome ergeben zusammen die Gesamtladung des Moleküls oder Ions.

Was Hybridisierung ist und wie man sie bestimmt

Die Hybridisierung beschreibt, welche Mischung aus s- und p-Orbitalen ein Atom für seine σ-Bindungen und freien Elektronenpaare nutzt. Du bestimmst sie über die sterische Zahl: die Zahl der an das Atom gebundenen Atome plus die Zahl seiner freien Elektronenpaare. Doppel- und Dreifachbindungen zählen einfach, weil nur eine σ-Bindung die beiden Atome verbindet.

Die Konjugationsausnahme. Ein Stickstoff-, Sauerstoff- oder Carbanion-Atom mit einem freien Elektronenpaar neben einer π-Bindung bringt dieses Elektronenpaar meist in einem p-Orbital unter, damit es delokalisieren kann. Das Atom nutzt dann drei Hybridorbitale und ist sp², obwohl die einfache Zählung 4 ergibt. Das gilt für das N in Amiden, Anilin und Pyrrol, das O in Estern, Phenol und Furan sowie das O⁻ in Carboxylat- und Nitrogruppen.

So nutzt du den Rechner Schritt für Schritt

1. Öffne den Formalladungs- und Hybridisierungsrechner.
2. Zeichne die Struktur im Editor oder gib sie in das Feld SMILES oder Formel ein und klicke auf Berechnen. Formeln wie NO3-, SO4^2- oder XeF4 funktionieren für Teilchen mit einem Zentralatom. Für alles andere verwendest du SMILES wie C[N+](=O)[O-].
3. Oder klicke auf eine Beispiel-Schaltfläche: CO₂, NO₃⁻, Ozon, Nitromethan, Acetat, Anilin und weitere.
4. Lies die Tabelle. Jede Zeile zeigt V, N, B, die Rechnung Formalladung = V − N − B/2, die sterische Zahl, Hybridisierung, Elektronengeometrie, Molekülgeometrie und den ungefähren Bindungswinkel. Aktiviere Wasserstoffatome in der Tabelle anzeigen, um auch H-Atome aufzulisten.
5. Ein Sternchen an der sterischen Zahl markiert ein konjugiertes freies Elektronenpaar (sp² statt sp³).
6. Nutze Formalladung von Hand prüfen für ein einzelnes Atom in einer Struktur, die du auf Papier gezeichnet hast: Gib Element, gebundene Atome, gezeichnete Bindungen und freie Elektronenpaare ein.
7. Klicke auf In MolDraw öffnen, um die Struktur zu behalten und zu exportieren.

Rechenbeispiele

1. Nitrat-Ion, NO₃⁻

Eine N=O-Doppelbindung und zwei N–O-Einfachbindungen. N hat keine freien Elektronenpaare: FL = 5 − 0 − 8/2 = +1. Das doppelt gebundene O hat 2 freie Elektronenpaare: FL = 6 − 4 − 4/2 = 0. Jedes einfach gebundene O hat 3 freie Elektronenpaare: FL = 6 − 6 − 2/2 = −1. Summe = +1 + 0 − 1 − 1 = −1. N hat drei σ-Bindungen und kein freies Elektronenpaar, ist also sp² und trigonal-planar (120°).

2. Ozon, O₃

Das zentrale O hat ein freies Elektronenpaar, eine Doppel- und eine Einfachbindung: FL = 6 − 2 − 6/2 = +1. Das einfach gebundene End-O hat 3 freie Elektronenpaare: FL = 6 − 6 − 1 = −1. Das doppelt gebundene End-O hat 0. Das zentrale O hat die sterische Zahl 3 (2 Atome + 1 freies Elektronenpaar), ist also sp² und gewinkelt, mit einem gemessenen Winkel von 116,8°.

3. Cyanid-Ion, CN⁻

C≡N mit je einem freien Elektronenpaar an jedem Atom. C: FL = 4 − 2 − 6/2 = −1. N: FL = 5 − 2 − 6/2 = 0. Die negative Ladung sitzt am Kohlenstoff; deshalb bindet Cyanid über C an Metalle. Beide Atome sind sp.

4. Nitromethan, CH₃NO₂

N hat vier Bindungen (eine C–N, eine N=O, eine N–O) und keine freien Elektronenpaare: FL = 5 − 0 − 8/2 = +1. Das einfach gebundene O ist −1. Zwei N=O-Bindungen würden dem Stickstoff 10 Elektronen geben, was ein Atom der zweiten Periode nicht aufnehmen kann. N ist sp², der CH₃-Kohlenstoff sp³.

5. Acetamid, CH₃CONH₂

Alle Formalladungen sind 0. Das N hat drei σ-Bindungen und ein freies Elektronenpaar, die einfache Zählung ergibt also sp³. Das freie Elektronenpaar liegt neben der C=O-π-Bindung und delokalisiert, daher ist das Amid-N sp² und planar. Deshalb hat die C–N-Bindung in Amiden partiellen Doppelbindungscharakter.

Übersichtstabelle

Häufige Fehler

• B statt B/2 abziehen. Wenn B als Elektronen gezählt wird, durch 2 teilen.
• Bei N freie Elektronenpaare statt Elektronen der freien Paare zählen. Zwei freie Elektronenpaare ergeben N = 4.
• Eine Doppelbindung bei der sterischen Zahl als zwei Domänen zählen.
• C, N oder O mehr als 8 Elektronen geben. Nur Atome ab der 3. Periode (P, S, Cl, Xe) können ihr Oktett erweitern.
• Amid- oder Anilin-Stickstoff als sp³ bezeichnen.
• Formalladung mit Oxidationszahl verwechseln. In CO₂ hat C die Formalladung 0, aber die Oxidationszahl +4.

Prüfungstipps (JEE, NEET, AP, A-Level)

• Prüfe die Summe. Die Formalladungen müssen sich zur Ionenladung addieren. Tun sie das nicht, fehlt ein freies Elektronenpaar oder es ist eines zu viel.
• Beste Lewis-Formel: Formalladungen möglichst nahe null, negative Ladung am elektronegativeren Atom, kein Oktett über 8 bei Atomen der 2. Periode.
• JEE und NEET fragen oft nach der Hybridisierung des Zentralatoms in Ionen wie I₃⁻ (sp³d), XeF₄ (sp³d²) und SO₄²⁻ (sp³). Nutze die sterische Zahl.
• In den Freitextaufgaben von AP Chemistry sollst du die beste Resonanz- oder Lewis-Formel mit Formalladungen begründen. Schreib die Rechnung V − N − B/2 hin.
• Aufgaben im A-Level-Teil Organik zur Planarität von Amiden oder zur Basizität von Anilin beruhen auf dem sp²-Stickstoff und seinem delokalisierten freien Elektronenpaar.

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