Bildung von Ionen
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Grundlagen zum Thema Bildung von Ionen
Ionenbildung – Chemie
Wenn du Kochsalz – also Natriumchlorid $(\ce{NaCl})$ – in Wasser löst, findet eine Hydratation von Ionen statt. Um die Ionen bildet sich eine Hydrathülle. In dem Wasser liegen dann die Natrium- und Chloridionen umgeben von der Hydrathülle vor. Doch wie bildet sich ein Ion? Und was versteht man überhaupt unter einer Ionenbildung? Im folgenden Text erfährst du, was Ionen sind, wie man von einem Atom zu einem Ion kommt und wie Ionenladungen entstehen.
Was versteht man unter einem Ion?
Definitionsgemäß ist ein Ion ein elektrisch (positiv oder negativ) geladenes Atom oder Molekül. Doch was ist der Unterschied zwischen einem Atom und einem Ion? Das Ion ist ein geladenes Atom. Wie die Ionen aus Atomen entstehen, erfährst du im folgenden Abschnitt.
Wie entstehen die Ionen? – Ionenbildung Definition
Ein Ion ist also ein geladenes Atom. Doch wie bildet sich ein Ion? Am Beispiel von Kochsalz $(\ce{NaCl})$ soll die Ionenbildung einfach erklärt werden. Das Element Natrium $(\ce{Na})$ liegt in der ersten Hauptgruppe, während sich das Element Chlor $(\ce{Cl})$ in der siebten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente befindet.
Nun schauen wir uns die Ionenbildung im Schalenmodell genauer an:
$\text{Na} \longrightarrow \underset{\text{Elektron auf Valenzschale}}{1e^-}$
$\text{Cl} \longrightarrow \underset{\text{Elektron auf Valenzschale}}{7e^-}$
Das Natriumatom hat also ein Elektron auf der Valenzschale und das Chloratom hat sieben Elektronen auf der Valenzschale. Als Valenzschale bezeichnet man die äußerste, mit Elektronen besetzte Schale in der Elektronenhülle eines Atoms. Atome möchten die Edelgaskonfiguration erreichen, da dieser Zustand besonders stabil ist. Um die Edelgaskonfiguration zu erreichen, benötigen die Atome in der Regel acht Elektronen auf der Valenzschale. Das wird dann als voll besetzte Valenzelektronenschale bezeichnet.
Und wie kommt man vom Atom zum Ion? Das Natriumatom gibt ein Elektron ab. Es hat dann nur noch zwei Schalen, erreicht aber eine voll besetzte Valenzelektronenschale. Das Chloratom nimmt ein Elektron auf und erreicht damit auch die voll besetzte Valenzelektronenschale.
$\ce{Na -> Na+ + e-}$
$\ce{Cl + e- -> Cl-}$
Wir erhalten somit zwei Ionen. Zum einen ein positiv geladenes Natriumion und zum anderen ein negativ geladenes Chlorion. Positiv geladene Ionen werden als Kationen bezeichnet und mit einem kleinen Plus (+) gekennzeichnet. Negativ geladene Ionen werden als Anionen bezeichnet und mit einem kleinen Minus (-) gekennzeichnet. Das Natriumion und das Chlorion sind jeweils einfach positiv bzw. einfach negativ geladen. Es gibt aber auch Ionen, die zweifach oder dreifach negativ bzw. positiv geladen sind. Dann wird die Zahl entsprechend vor das Plus oder Minus geschrieben. In der folgenden Abbildung kannst du dir die Ionenbildung von Natrium und Chlor nochmals anschauen:
Gibt es auch freie Ionen? Nein, in der Regel gibt es keine freien Ionen. Nur unter sehr sterilen Bedingungen, hoher Temperatur und im Vakuum kann man Natrium- und Chloridionen einzeln bilden. Die Definition von flüssigen und festen Aggregatzuständen bedingt, dass Teilchen ständig untereinander wechselwirken. Deshalb kann es in diesen Zuständen keine „freien“ Ionen geben.
Ionenbindung und Ionenbildung
Das Salz Natriumchlorid $(\ce{NaCl})$ ist eine Verbindung aus Natriumionen und Chlorionen. Bei der Ionenbildung entstehen also aus Atomen Ione, welche zusammen eine Ionenbindung eingehen.
Halten wir fest: Die Ionenbildung ist die Entstehung eines Ions aus einem Atom durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen. Ob und wie viele Elektronen aufgenommen oder abgegeben werden, ist davon abhängig, in welcher Hauptgruppe des Periodensystems sich das Element befindet.
Die Ionenbindung ist die Verbindung zweier Ionen.
$\text{Ionenbildung:} \quad \ce{Na -> Na+ + e-}$
$\text{Ionenbildung:} \quad \ce{Cl + e- -> Cl-}$
$\text{Ionenbindung:} \quad \ce{Na+ + Cl- -> NaCl}$
Die Ionen befinden sich dann in einem sogenannten Ionengitter. Das Ionengitter des Natriumchlorids kannst du dir auf der folgenden Abbildung ansehen:
Falls du mehr über den Aufbau eines Ionenkristalls und das Ionengitter erfahren möchtest, kannst du dir diese beiden Videos dazu anschauen: Aufbau Ionenkristall und Ionengitter.
Welche Elemente können Ionen bilden?
In der folgenden Tabelle sind Beispiele für Ionenbildungen aufgeführt.
| Element | Ion | Elementsymbol | Hauptgruppe |
|---|---|---|---|
| Natrium | Kation | $ { \color{Orange} \text{Na}^+ }$ | $ \text{I}$ |
| Kalium | Kation | $ { \color{Orange} \text{K}^+ }$ | $ \text{I}$ |
| Sauerstoff | Anion | $ { \color{Green} \text{O}^{2-} }$ | $ \text{VI}$ |
| Schwefel | Anion | $ { \color{Green} \text{S}^{2-} }$ | $ \text{VI}$ |
| Chlor | Anion | $ { \color{Green} \text{Cl}^- }$ | $ \text{VII}$ |
| Magnesium | Kation | $ { \color{Orange} \text{Mg}^{2+} }$ | $ \text{II}$ |
| Aluminium | Kation | $ { \color{Orange} \text{Al}^{3+} }$ | $ \text{III}$ |
Weiterführend kannst du in dem Video Wichtige Salze, wichtige Ionen mehr zu diesem Thema erfahren.
Das Video Bildung von Ionen
In diesem Video lernst du, dass sich aus Atomen Ionen bilden können. Dieser Vorgang wird als Ionenbildung bezeichnet. Bei der Ionenbildung entstehen Kationen und Anionen. Die Ionenbildung findet statt, weil die Atome die Edelgaskonfiguration erreichen möchten und somit eine voll besetzte Valenzschale haben wollen. Somit geben Atome aus der ersten Hauptgruppe ein Elektron, aus der zweiten Hauptgruppe zwei Elektronen und aus der dritten Hauptgruppe drei Elektronen ab. Atome aus der sechsten und siebten Hauptgruppe nehmen Elektronen auf, um eine voll besetzte Valenzschale zu erreichen. Du kannst also im Periodensystem der Elemente an den Hauptgruppen ablesen, wie viele Elektronen die Atome aufnehmen oder abgeben können.
Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!
Transkript Bildung von Ionen
Hallo und herzlich willkommen zu diesem Video. Es heißt „Die Bildung von Ionen“. Du kennst bereits das Metall Natrium und das Nichtmetall Chlor. Nachher kannst du erklären, wie beim Kontakt von Natrium mit Chlor Ionen entstehen. Das Video besteht aus fünf Abschnitten: Die Ionen im Gitter. Gibt es freie Ionen? Ionen aus den Elementen Natrium und Chlor. Nach welchen Regeln erfolgt die Bildung von Ionen? Einige Ionen. Die Ionen im Gitter: Das Steinsalz, auch Kochsalz genannt, hat den chemischen Namen Natriumchlorid. Natriumchlorid besteht aus einem Ionengitter. Das Ionengitter besteht aus einer riesigen Anzahl von Natrium-Ionen, Na+, und Chlorid-Ionen, Cl-. Aber wie entstehen die Ionen aus den Atomen? Gibt es freie Ionen? Mein Chemielehrer in der Regelschule würde sagen: „Nein, denn man kann sie nicht in Flaschen aufbewahren!“ Allerdings, so einfach ist die Sache nicht. Natrium-Ionen, Na+, und Chlorid-Ionen, Cl-, bilden sich sehr wohl. Allerdings geschieht das nur bei hohen Temperaturen oder im Vakuum. Und dann muss man die Gegenwart weiterer Stoffe ausschließen. Sozusagen man muss steril arbeiten. Ionen aus den Elementen Natrium und Chlor: Natrium ist ein typisches Metall. Chlor ist ein typisches Nichtmetall. Kommen andere Stoffe hinzu, so reagieren sie heftig mit ihnen. Natrium und Chlor sind sehr reaktionsfähig. Bei diesen Reaktionen spielt die Ionenbildung von Na+ und Cl- eine wichtige Rolle. Was passiert? Aus einem Natriumatom entsteht ein Natrium-Ion. Dabei wird ein Elektron aus dem Natrium-Atom herausgelöst. Wir schreiben dafür auch: Na reagiert zu Na++e-. Das Chlor-Atom hingegen nimmt ein Elektron auf und es entsteht ein Chlorid-Ion. Wir schreiben auch: Cl+e- reagieren zu Cl-. Das Elektron spielt bei beiden Reaktionen eine wichtige Rolle. Aber wie kann das Natriumatom einfach das Elektron abgeben und das Chloratom? Woher bekommt es das Elektron? Nun ja, ganz einfach. Es findet Elektronenübergang statt. Das Natriumatom gibt sein Elektron ab und das Chlor-Atom nimmt dieses Elektron auf. Und so findet die Bildung von Natrium- und Chlorid-Ion statt. Das Natriumatom gibt sein einziges Außenelektron ab und das Chloratom vervollständigt seine Außenschale. Nach welchen Regeln erfolgt die Bildung von Ionen? Dabei hilft uns das Periodensystem der Elemente. Natrium, blau gekennzeichnet, steht in der ersten Hauptgruppe des PSE. Daran erkennen wir, dass ein Natriumatom über ein Außenelektron verfügt. Dieses eine Außenelektron gibt es ab. Wir schreiben: -e-. Es bildet sich ein Natrium-Ion. Und dieses hat die Elektronenkonfiguration des Neon-Atoms. Chlor, rot gekennzeichnet, steht in der siebten Hauptgruppe des PSE. Daran erkennen wir, dass das Chloratom über sieben Außenelektronen verfügt. Das Chloratom nimmt ein Elektron auf +e. Und im Ergebnis erhält es die Elektronenkonfiguration des Argon-Atoms. Die Atome streben Edelgaskonfigurationen an. Das Natrium-Ion, Na+, besitzt die Elektronenkonfiguration des Edelgases Neon. Das Chlorid-Ion, Cl-, besitzt die Konfiguration des Edelgases Argon. Alle diese vier Teilchen haben voll besetzte Außenschalen. Man spricht hier auch von der Oktettregel, denn diese vollbesetzten Außenschalen sind Achterschalen. Das Natrium-Ion, Na+, und das Chlorid-Ion, Cl-, sind stabile Ionen. Einige Ionen: Das Ion des Natriums ist Na+. Es ist einfach positiv geladen. Das chemische Element Natrium steht nämlich in der ersten Hauptgruppe. Ein Natriumatom hat ein Außenelektron. Das chemische Element Kalium bildet Ionen K+. Kalium-Ionen. Diese sind einfach positiv geladen. Denn Kalium steht auch in der ersten Hauptgruppe. Das Sauerstoff-Ion bildet Ionen O2-. Sauerstoff steht in der sechsten Hauptgruppe. Das Sauerstoffatom hat sechs Außenelektronen, es nimmt daher zwei Elektronen zum Erreichen der Achterschale auf. Daher die Ladung zwei minus. Das gleiche können wir über Schwefel sagen. Das Schwefel-Atom bildet Ionen S2-. Schwefel steht in der sechsten Hauptgruppe. Ein Schwefel-Atom nimmt zwei Elektronen zum Erreichen der stabilen Achterschale auf. Chlor haben wir bereits besprochen. Es bildet sich das Chlorid-Ion Cl- aus dem Chloratom. Chlor steht in der siebten Hauptgruppe. Ein Chlor-Atom nimmt daher ein Elektron auf um die Elektronenkonfiguration eines Edelgases zu erhalten. Magnesium steht in der zweiten Hauptgruppe, daher bilden Magnesium-Atom Magnesium-Ionen Mg2+. Ein Magnesium-Atom gibt zwei Elektronen ab und erhält so die Edelgaskonfiguration. Aluminium ist ein Element der dritten Hauptgruppe, daher bilden sich Ionen Al3+. Drei Elektronen werden abgegeben und das Teilchen erhält eine Edelgaskonfiguration. So, nun sind wir schon fast am Ende unseres Videos. Jetzt wissen wir, warum Natrium und Chlor intensiv zu Kochsalz reagieren. Könnt ihr euch noch an das Bild zu Anfang des Videos erinnern? Der Lehrer dort fragte Folgendes: „Könnte mir einer der Herren vielleicht erklären, was es dort so Attraktives außerhalb des Fensters gibt?“ Ich denke, diese Frage könntet ihr ihm beantworten. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!
Bildung von Ionen Übung
-
Erstelle eine Übersicht über die Ionen.
TippsÜberlege, welche Ladungen die Nicht-Metall-Ionen bzw. Metall-Ionen haben.
Ein Natrium-Ion ist ein Metall-Ion.
LösungAllgemein werden Teilchen, die eine Ladung besitzen, als Ionen bezeichnet. Eine Gruppe der Ionen sind Metall- bzw- Nicht-Metall-Ionen. Metall-Ionen besitzen eine positive Ladung, wie z.B. das Natrium-Ion $Na^+$ oder das Magnesium-Ion $Mg^{2+}$. Positiv geladene Ionen werden in der Chemie auch als Kationen bezeichnet. Die Ladungszahl der Kationen hängt davon ab, in welcher Hauptgruppe sich das dazugehörige Atom befindet. So ist ein Natrium-Ion z.B. positiv geladen, weil sich das Natrium in der ersten Hauptgruppe befindet.
Nicht-Metall-Ionen sind immer negativ geladen. Sie werden in der Chemie auch als Anionen bezeichnet. Beispiele für Anionen sind das Chlorid-Ion $Cl^-$ oder auch das Sulfid-Ion $S^{2-}$. Ihre Ladungszahl steht auch in Abhängigkeit zur Hauptgruppe des zugehörigen Atoms. Im Gegensatz zu den Kationen muss hier jedoch die Ladungszahl der Elektronenzahl entsprechen, die zur vollen Achterschale noch benötigt wird. Das Chloratom steht in der 7. Hauptgruppe. Ihm fehlt also noch ein Elektron zur vollen Achterschale, deshalb ist das Chlorid-Ion einfach negativ geladen.
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Erkläre die Bildung von Ionen anhand von Natrium und Chlor.
TippsNutze zur Hilfe ein Periodensystem der Elemente.
Ein Element erreicht durch die Oktettregel immer die Edelgaskonfiguration, die ihm am nächsten ist, auch wenn das heißt, dass man eine Periode höher gehen muss.
LösungDie Bildung von Ionen spielt in der Chemie eine sehr wichtige Rolle. Voraussetzung, um die Bildung von Ionen zu verstehen, ist, dass man das PSE gut kennt bzw. damit gut umgehen kann.
Das Metall Natrium steht im PSE in der 1. Hauptgruppe und besitzt somit nur ein einziges Außenelektron. Es ist energetisch aber stabiler, wenn es eine vollbesetzte Schale hat. Es kann aber keine sieben Elektronen aufnehmen, deshalb gibt es lieber sein Elektron ab und besitzt dann als Natrium-Ion die Elektronenkonfiguration des Neons.
Das abgegeben Elektron wird vom Chlor, welches sich in der 7. Hauptgruppe befindet, aufgenommen. Diesem fehlt nämlich nur ein Elektron, um die stabile Edelgaskonfiguration zu erreichen. Durch diesen Elektronenübergang entsteht das Chlorid-Ion, welches die Konfiguration des Argons besitzt.
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Erläutere die Ionenbildung am Beispiel des Magnesiumbromids.
TippsLösungVom Prinzip her verläuft die Ionenbildung genauso wie beim Chlorid- und Natrium-Ion. Der Unterschied ist jedoch, dass das Magnesium-Ion zweifach positiv geladen ist und das Bromid-Ion nur einfach positiv.
Das hat Auswirkungen auf die Bildung des Salzes. Da zwei Elektronen vom Magnesium abgegeben werden, müssen auch zwei Bromatome mit diesen reagieren. Also entstehen zwei Bromid-Ionen und ein Magnesium-Ion. Würden diese nun miteinander reagieren, würde das wie folgt aussehen:
$Mg^{2+} + 2 Br^- \to MgBr_2$
-
Erläutere, wie viele Elektronen das Atom aufnehmen bzw. abgegeben muss, damit ein Ion gebildet wird.
TippsNutze als Hilfe das Periodensystem, um herauszufinden, in welcher Hauptgruppe sich das Atom befindet.
Atome streben immer eine stabile Achterschale an.
LösungIonen werden durch die Übertragung von Elektronen gebildet. Aus Atomen können sich durch Elektronenaufnahme negativ geladene Ionen, die Anionen, bilden oder durch Elektronenabgabe können sich aus Atomen positiv geladene Ionen, die Kationen, bilden.
Ob ein Atom Elektronen aufnimmt oder abgibt, hängt von seiner Stellung im PSE ab und somit auch von der Anzahl der Außenelektronen.
Ein Atom ist immer bestrebt danach, eine vollbesetzte Außenschale zu besitzen. Das Calciumatom besitzt beispielsweise 2 Außenelektronen. Um eine stabile Achterschale zu erreichen, gibt es diese zwei Elektronen ab, und erreicht die Edelgaskonfiguration des Argons. Dieses besitzt dann 8 Außenelektronen und ist energetisch sehr stabil.
-
Bestimme das richtigen Ion, welches zum jeweiligen Atom gehört.
TippsSuche dir das Atom im PSE und schaue, in welcher Hauptgruppe es sich befindet.
Überlege, ob es für das Atom besser ist, Elektronen aufzunehmen oder abzugeben, um die Achterschale zu erreichen.
LösungDurch Elektronenübergänge können aus ungeladenen Atomen geladene Ionen werden. Um herauszufinden, wie diese Ladung dann genau aussieht, ist es wichtig, die Hauptgruppe des Elements im PSE zu kennen.
Das Sauerstoffatom z.B. steht in der 6. Hauptgruppe im Periodensystem. Es besitzt demzufolge 6 Außenelektronen und ist energetisch noch nicht stabil. Um dies zu erreichen, muss es noch zwei Elektronen aufnehmen, um eine stabile Achterschale zu erreichen. Das entstandene Ion $O^{2-}$ besitzt dann die Elektronenkonfiguration des Neons.
Anders verhält es sich beim Kalium-Ion. Dieses befindet sich in der 1. Hauptgruppe und besitzt deshalb nur ein Außenelektron. Es wäre jedoch energetisch sehr aufwendig, 7 weitere Elektronen aufzunehmen, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Deshalb gibt das Kaliumatom lieber sein einziges Elektron ab und wird dadurch einfach positiv geladen $K^+$.
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Bestimme anhand der Elektronenmodelle, um welches Ion bzw. Atom es sich handelt.
TippsÜberlege, welche Aussage durch die Anzahl der Elektronen gemacht wird.
Zähle die Elektronen auf der äußerten Schale.
Die Außenelektronen machen eine Aussage über die Stellung im PSE.
LösungDie Elektronenverteilung in Atomen oder Ionen kann mithilfe eines Elektronenmodells dargestellt werden. In diesem werden die einzelnen Schalen dargestellt und die Anzahl der Elektronen, die sich auf diesen befinden.
In diesem Beispiel sind einmal das Elektronenmodell des Chloratoms und des dazugehörigen Chlorid-Ions und das des Magnesiumatoms und dem dazugehörigen Magensium-Ions dargestellt.
Um herauszufinden, um welches Atom es sich handelt, zählt man zunächst die Außenelektronen. Diese geben Auskunft darüber, in welcher Hauptgruppe sich das Atom befindet. Zählt man die Anzahl der Schalen, dann weiß man auch, in welcher Periode sich das Atom befindet. Chlor hat 7 Außenelektronen, steht also in der siebten Hauptgruppe und hat drei besetzte Schalen, steht als in der dritten Periode.
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ich könnte die videos eigentlich echt genießen wenn wir nicht zum gucken gezwungen werden würden 😩
Hallo Soorya G.,
ein Ion ist ein Atom, welches mindestens eins seiner Elektronen abgegeben hat oder mindestens ein weiteres aufgenommen hat. Es ist daher immer positiv oder negativ geladen.
Liebe Grüße aus der Redaktion.
Was ist denn jetzt genau ein Ion?
Das Wort Ionen wurde komisch ausgesprochen.
Das beste Video auf Sofatutor, das ich bis jetzt gesehen habe.