Bildung von Ionen und Ionenbindung
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- Ionenbildung in der Chemie
- Was versteht man unter einem Ion?
- Wie entstehen die Ionen? – Definition von Ionenbildung
- Ionenbindung und Ionenbildung
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Grundlagen zum Thema Bildung von Ionen und Ionenbindung
Ionenbildung in der 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? – Definition von Ionenbildung
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:
$\text{Na} \longrightarrow \underset{\text{Elektron auf Valenzschale}}{1\,e^-}$
$\text{Cl} \longrightarrow \underset{\text{Elektronen auf Valenzschale}}{7\,e^-}$
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 Chloridion. 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 Chloridion 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 Chloridionen. 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.
Zusammenfassung des Videos Bildung von Ionen und Ionenbindung
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 Ionenbindung 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 und Ionenbindung
"Natrium" und "Chlor", das eine ein hochentzündliches Metall, das andere ein giftiges Gas! Und die beiden verbinden sich zu einem völlig harmlosen Stoff: Kochsalz. Wie sowas geht, verstehen wir, wenn wir uns die "Bildung von Ionen und IonenBINDUNG" ansehen. Du solltest schon wissen, dass Ionen "geladene Teilchen" sind. Wenn nicht – dann weißt du es jetzt. Aber woher kommen Ionen? Wie kommen sie zustande? Die ATOME, aus denen sich die chemischen Elemente zusammensetzen, sind nach außen hin neutral, also UNGELADEN. Aber wie du bestimmt schon gehört hast, bestehen alle Atome aus einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Atomhülle. Ein ION entsteht nun, wenn ein Atom ein Elektron abgibt, oder eins aufnimmt. Denn dann sind die Ladungen im Atom nicht mehr ausgeglichen: Das Atom hat entweder eine negative Ladung zu WENIG und ist damit POSITIV geladen, oder es hat eine negative Ladung zu VIEL, ist also insgesamt NEGATIV geladen. Okay, aber warum machen Atome sowas? Und wann geben sie Elektronen AB und wann nehmen sie welche AUF? Schauen wir uns dazu konkret die beiden Elemente Natrium und Chlor an. Aus dem Periodensystem können wir herauslesen, dass ein Natriumatom ELF Elektronen hat, wovon sich genau EINES in der dritten Schale befindet: Natrium hat also EIN Außenelektron. Ein Chloratom hat SIEBZEHN Elektronen und davon SIEBEN Außenelektronen in der dritten Schale. Jetzt brauchen wir nur noch ein bisschen Grundwissen, genauer gesagt DIE Grundregel der Chemie überhaupt: "Alle Atome streben danach, eine vollbesetzte Außenschale zu haben"; was in den allermeisten Fällen bedeutet: ACHT Außenelektronen. Das ist die Oktettregel. Der dadurch erreichte Zustand (der energetisch besonders günstig ist) heißt Edelgaskonfiguration. Denn alle Edelgase (außer Helium) besitzen acht Außenelektronen und sind damit chemisch sehr stabil. Für Natrium ist der Weg zur Edelgaskonfiguration von ARGON allerdings ziemlich weit, denn dazu müsste es ja SIEBEN Elektronen aufnehmen. Viel günstiger ist es, stattdessen EIN Elektron abzugeben. So wird die zweite Schale zur AUẞENschale – und die ist ja bereits voll besetzt! Damit hat das Natriumatom die Edelgaskonfiguration von NEON erreicht. Für Chlor ist es hingegen günstig, ein Elektron AUFzunehmen. Schon hat es die Edelgaskonfiguration von Argon: ACHT Außenelektronen in der dritten Schale. Wie für Natrium, ist es in der Regel für ALLE Metalle günstig, Elektronen abzugeben, wodurch POSITIV geladene Ionen entstehen: die sogenannten KATIONEN. Die NICHTmetalle (die ja weit rechts im Periodensystem stehen) nehmen meist Elektronen AUF und bilden damit NEGATIV geladene Ionen: die ANIONEN. Und damit wird auch klar, warum die Elemente Natrium und Chlor eine VERBINDUNG bilden. Denn das Elektron, das Natrium abgibt, muss ja irgendwo hingehen – und das Chlor braucht ja genau eines, das es aufnehmen kann. Es findet eine Elektronenübertragung statt. Außerdem gleichen sich die positive Ladung des Kations und die negative Ladung des Anions genau aus. Das passt! Durch die Bindung entsteht also wieder ein nach außen neutraler Stoff, nämlich Natriumchlorid. Die Bindung zwischen den Ionen nennt man passenderweise IONENbindung. Aufgrund der elektrostatischen Anziehung zwischen den gegensätzlich geladenen Ionen ist diese sehr stark. Die so entstehenden Ionenverbindungen (also die Stoffe) heißen SALZE. Die Ionen bilden dabei nicht einfach Pärchen, sondern ordnen sich wie in einem dreidimensionalen Gitter an, dem Ionengitter. Für Natriumchlorid sieht das noch relativ simpel aus, aber es gibt auch kompliziertere Anordnungen. Denn Ionen verbinden sich nicht immer im Verhältnis eins zu eins. Das sehen wir uns an einem ZWEITEN Salz an: MAGNESIUMchlorid. Da Magnesium in der zweiten Hauptgruppe steht, hat es ZWEI Außenelektronen abzugeben. Wäre jetzt ein SAUERSTOFFatom in der Nähe, wäre alles easy. Der Sauerstoff könnte beide Elektronen aufnehmen, und aus dem zweifach positiv geladenen Kation und dem zweifach negativ geladenen Anion würde sich Magnesiumoxid bilden. Wenn wir aber CHLOR haben, gibt es ein Problem. Ein Chloratom kann nur EIN Elektron aufnehmen, dann ist es bereits stabil. Deshalb verbinden sich jeweils ZWEI Chloratome mit Magnesium. So sind alle Elektronen verteilt und wir erhalten die Summenformel M-G-C-L-zwei. Die Summenformeln von Ionenverbindungen ergeben sich also direkt aus den Elektronen, die die Elemente jeweils abgeben und aufnehmen können. Und DIE kannst du aus dem Periodensystem herauslesen! Gar nicht schlecht, oder? Im Prinzip GENAUSO funktioniert das auch mit den "Molekül-Ionen", also wenn MEHR als zwei Elemente an einer Ionenbindung beteiligt sind. Das sehen wir uns aber ein andermal an. Fassen wir erstmal zusammen. Ionen sind geladene Teilchen. Sie bilden sich aus Atomen, wenn diese Elektronen abgeben oder aufnehmen. Metalle bilden durch ElektronenABGABE positiv geladenen Kationen, während Nichtmetalle meist durch ElektronenAUFNAHME negativ geladene ANIONEN bilden. Gegensätzlich geladene Ionen ziehen sich an und bilden eine IonenBINDUNG. So entstehen Ionenverbindungen, die sogenannten SALZE. Und ist es nicht faszinierend, wie sehr sich die Eigenschaften eines SALZES von denen der einzelnen Elemente allein durch die Bildung von Ionen unterscheiden? So wie beim harmlosen, leckeren Kochsalz. Na gut, es kommt schon auch noch darauf an, WAS man damit würzt!
Bildung von Ionen und Ionenbindung Übung
-
Gib an, wie Ionen entstehen.
TippsEs gibt zwei richtige Antworten.
Bei der Ionenbildung sind Elektronen beteiligt.
LösungJedes Atom besteht aus einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Atomhülle. Da jedoch die Anzahl der negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Protonen im Atom gleich ist, ist ein Atom neutral, also ungeladen.
Ionen sind hingegen positiv oder negativ geladen.
Sie entstehen, wenn ein Atom:- Elektronen abgibt oder
- Elektronen aufnimmt.
Denn dann sind die Ladungen im Atom nicht mehr ausgeglichen: Das entstandene Ion hat entweder weniger Elektronen und ist damit positiv geladen oder es hat mehr Elektronen und ist deswegen negativ geladen. -
Stelle die Elektronenübertragung vom Natriumatom an das Chloratom dar.
TippsDas Natriumatom gibt ein Elektron an das Chloratom ab.
LösungAus dem Periodensystem der Elemente können wir herauslesen, dass ein Natriumatom elf Elektronen hat, wovon sich genau eines in der äußersten Schale befindet.
Ein Chloratom hat 17 Elektronen und davon sind sieben Außenelektronen.Alle Atome streben danach, eine voll besetzte Außenschale zu haben. In den allermeisten Fällen bedeutet dies: Das Atom hat acht Außenelektronen. Das ist die Oktettregel. Der dadurch erreichte Zustand ist die Edelgaskonfiguration.
Für das Natriumatom ist der Weg zur Edelgaskonfiguration von Argon allerdings ziemlich weit, denn dazu müsste es sieben Elektronen aufnehmen. Viel günstiger ist es stattdessen, ein Elektron abzugeben. So wird die zweite Schale zur Außenschale – und die ist bereits voll besetzt. Damit hat das Natriumatom die Edelgaskonfiguration von Neon erreicht.
Für das Chloratom ist es hingegen günstig, ein Elektron aufzunehmen: Schon hat es die Edelgaskonfiguration von Argon, nämlich acht Außenelektronen in der dritten Schale.
Und damit wird auch klar, warum die Atome der Elemente Natrium und Chlor eine Verbindung eingehen. Denn das Elektron, welches das Natriumatom abgibt, muss schließlich irgendwo hingehen – und das Chloratom braucht genau eines, welches es aufnehmen kann: Es findet eine Elektronenübertragung statt. Zudem gleichen sich die positive Ladung des Kations und die negative Ladung des Anions genau aus. Durch die Bindung entsteht also wieder ein nach außen neutraler Stoff, nämlich Natriumchlorid. Die Bindung zwischen den Ionen nennt man passenderweise Ionenbindung.
-
Beschreibe die Ionenverbindung von Magnesium und Sauerstoff.
TippsEine voll besetzte Schale hat in der Regel acht Außenelektronen.
Magnesium ist ein Metall.
LösungWie für Magnesiumatome ist es in der Regel für alle Metalle günstig, Elektronen abzugeben, wodurch positiv geladene Ionen entstehen: die sogenannten Kationen.
Da Magnesium sich in der zweiten Hauptgruppe befindet, hat das Magnesiumatom zwei Außenelektronen abzugeben.Wie Sauerstoffatome nehmen Nichtmetalle meist Elektronen auf und bilden damit negativ geladene Ionen: die Anionen.
Das Sauerstoffatom hat sechs Außenelektronen und benötigt somit noch zwei Elektronen, damit seine äußerste Schale voll besetzt ist.Durch die Bindung bildet sich Magnesiumoxid, ein nach außen neutraler Stoff.
Die Stoffe, die durch eine Ionenverbindung entstehen, heißen Salze.
Aufgrund der elektrostatischen Anziehung zwischen den gegensätzlich geladenen Ionen ist diese Bindung sehr stark. -
Benenne die Ionen.
TippsWenn Elektronen abgegeben werden, dann wird aus dem neutralen Atom ein positiv geladenes Ion.
LösungIonen entstehen, wenn ein Atom ein oder mehrere Elektronen abgibt oder aufnimmt. Denn dann sind die Ladungen im Atom nicht mehr ausgeglichen: Das entstandene Ion hat entweder weniger Elektronen und ist damit positiv geladen oder es hat mehr Elektronen und ist daher negativ geladen.
Natrium ist in der dritten Periode sowie in der ersten Hauptgruppe. Natriumatome haben somit drei Schalen und ein Außenelektron. Gibt ein Natriumatom dieses ab, ist es einfach positiv geladen.
Das entstandene Ion heißt $\ce{Na+}$.Chlor befindet sich ebenso in der dritten Periode, jedoch in der siebten Hauptgruppe. Auf der dritten und äußersten Schale der Chloratome sind somit sieben Außenelektronen. Nimmt ein Chloratom ein Elektron auf, ist es einfach negativ geladen.
Das entstandene Ion heißt $\ce{Cl-}$.Magnesium steht ebenfalls in der dritten Periode, allerdings in der zweiten Hauptgruppe. Magnesiumatome haben somit drei Schalen und zwei Außenelektronen. Es ist also günstiger, zwei Elektronen abzugeben, statt sechs aufzunehmen. Durch die Abgabe ist das Magnesiumatom zweifach positiv geladen.
Das entstandene Ion heißt $\ce{Mg^2+}$.Sauerstoff finden wir in der zweiten Periode und in der sechsten Hauptgruppe. Sauerstoffatome verfügen also über zwei Schalen und sechs Außenelektronen. Es ist somit leichter, zwei Elektronen aufzunehmen, statt sechs Elektronen abzugeben. Durch die Aufnahme von zwei Elektronen ist das Sauerstoffatom zweifach negativ geladen.
Das entstandene Ion heißt $\ce{O^2-}$. -
Charakterisiere die beiden Atome.
TippsNatrium ist ein Metall und steht in der ersten Hauptgruppe.
Für Metalle ist es in der Regel günstiger, Elektronen abzugeben.
LösungNatrium (Elementsymbol: $\ce {Na}$) befindet sich in der ersten Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente. Das bedeutet, dass Natriumatome ein Außenelektron besitzen. Für das Natriumatom ist es günstiger, ein Elektron abzugeben, statt sieben Elektronen aufzunehmen, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen.
Chlor (Elementsymbol: $\ce {Cl}$) hingegen steht in der siebten Hauptgruppe, weist also sieben Außenelektronen auf. Für Atome der Halogene (Elemente der siebten Hauptgruppe) ist es also leichter, ein Elektron aufzunehmen, statt sieben Elektronen abzugeben, um eine voll besetzte Schale zu erreichen.
-
Bestimme die Summenformel für die Ionenverbindung von Aluminium und Sauerstoff.
TippsInsgesamt werden sechs Elektronen übertragen.
LösungAlle Atome streben danach, eine voll besetzte Außenschale zu haben. In den allermeisten Fällen bedeutet dies: Das Atom hat acht Außenelektronen. Das ist die Oktettregel. Der dadurch erreichte Zustand ist die Edelgaskonfiguration.
Aluminium steht in der dritten Hauptgruppe. Das heißt, dass Aluminiumatome auf der äußersten Schale drei Elektronen haben, die sie abgeben möchten. Sauerstoffatome hingegen haben in ihrer äußersten Schale nur „Platz“ für zwei Elektronen. Dies bedeutet, dass ein Elektron übrig bleiben würde. Deshalb müssen sich mehrere Atome der beiden Elemente miteinander verbinden.
Es verbinden sich zwei Aluminiumatome mit drei Sauerstoffatomen. Die Rechnung ist ganz einfach:
Zwei Aluminiumatome geben jeweils drei Elektronen ab:
$2 \cdot 3$ Elektronen $= 6$ Elektronen
Drei Sauerstoffatome nehmen jeweils zwei Elektronen auf:
$3 \cdot 2$ Elektronen $= 6$ Elektronen
Die Summenformel lautet daher $\ce{Al_2O_3}$.
9.244
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Das Video war richtig gut und man konnte alles verstehen