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Hydratation von Ionen

Erfahre, was Hydratation ist und wie sich Wassermoleküle um Ionen lagern. Entdecke die Hydrationsenthalpie und wie sie von Ionengröße und Ladung abhängt. Möchtest du mehr über die Hydratation wissen? Interessiert? Dies und weitere Infos im Text!

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Die Autor*innen
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André Otto
Hydratation von Ionen
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse - Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Hydratation von Ionen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Hydratation von Ionen kannst du es wiederholen und üben.
  • Definiere die Hydratation und die Gitterenergie.

    Tipps

    Die Hydratation ist eine Solvatation im Lösemittel Wasser.

    Salze bilden Kristalle und haben hohe Schmelzpunkte.

    Lösung

    Innerhalb von Salzen bestehen Ionenbindungen. Sie beruhen auf elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Kationen und Anionen des Salzes. Diese Bindungen sind sehr stark. Aus diesem Grund muss viel Energie aufgebracht werden, um die Ionen aus dem gebildeten Gitter zu lösen und sie zu separieren. Diese Energie wird als Gitterenergie $\Delta H_{Gitter}$ bezeichnet.

    Bei einer Hydratation lagern sich Wassermoleküle um diese Ionen an. Der Lösevorgang beginnt immer an den Außenflächen des Kristallgitters. Hier werden nach und nach die Ionen herausgelöst. Um die Ionen baut sich eine Hydrathülle auf, die eine weitere starke Wechselwirkung zwischen den entgegengesetzt geladenen Ionen verhindert. Aus diesem Grund bleibt das Salz in Lösung.

  • Skizziere die Hydratation eines Kations und eines Anions.

    Tipps

    Wo befinden sich die negative und positive Partialladung im Wassermolekül?

    Sauerstoff hat eine höhere Elektronegativität als Wasserstoff.

    Lösung

    Gegensätze ziehen sich an

    An diesem Sprichwort ist, in Bezug auf Ladungen, wirklich etwas Wahres dran. Zwischen einer positiven Ladung und einer negativen Ladung wirkt die Coulomb-Kraft. Dies ist eine starke elektrostatische Wechselwirkung, die bewirkt, dass sich diese entgegengesetzten Ladungen anziehen.

    Daher richten sich Wassermoleküle mit ihrem negativen Ladungsschwerpunkt $(O)$ in Richtung eines Kations $(Mg^{2+})$ und mit ihrem positiven Ladungsschwerpunkt $(H)$ in Richtung eines Anions $(Cl^-)$ aus.

  • Erläutere, warum das Wassermolekül ein Dipol ist.

    Tipps

    Die Elektronegativität ist die Fähigkeit eines Elements, Elektronen an sich zu ziehen.

    Welche Ladung hat der Bereich, in dem sich viele Elektronen aufhalten?

    Lösung

    Wasser ist eine der wichtigsten Verbindungen auf unserem Planeten. Im Wasser ist das Leben entstanden und Wasser hält es auch am Leben. Für uns und alle Lebewesen ist Wasser ein unersetzliches Lösemittel in unseren Körpern. Der Stofftransport funktioniert oft nur durch Lösevorgänge in Wasser.

    Dafür ist die Eigenschaft des Wassers als Dipol überaus wichtig. Sie beruht auf der Elektronegativitätsdifferenz zwischen Sauerstoff und Wasserstoff. Der Sauerstoff zieht die Bindungselektronen stark zu sich. Aus diesem Grund besteht hier der negative Ladungsschwerpunkt ($\delta^-$) des Moleküls. Folglich befindet sich an den Wasserstoffatomen der positive Ladungsschwerpunkt ($\delta^+$).

    Diese Polarität hat weitreichende Folgen. Sie ist verantwortlich für den hohen Siedepunkt von Wasser. Auch die Dichteanomalie besteht aufgrund des Dipol-Charakters.

  • Formuliere die Dissoziationsgleichungen für Natriumchlorid, Natriumsulfat und Ammoniumnitrat.

    Tipps

    Ammoniumnitrat wird als Dünger verwendet, da es sehr viel Stickstoff enthält.

    Natrium ist ein Alkalimetall. Alkalimetalle sind alle Elemente der ersten Hauptgruppe im PSE.

    Lösung

    Salze dissozieren in Wasser. Das heißt, die Ionen, aus denen das Kristallgitter besteht, werden nach und nach von Wassermolekülen gelöst und abtransportiert.

    In der Reaktionsgleichung rechts kannst du sehen, wie man diesen Vorgang kenntlich macht. Das $(aq)$ steht für aquatisiert, d.h. die Ionen liegen gelöst vor. Sie haben also eine Hydrathülle.

    Wie gut löslich ein Salz ist, hängt von der Stärke der inneren Kräfte im Kristallgitter ab. Je höher diese sind, desto höher ist die Energie, die aufgebracht werden muss, um das Gitter aufzubrechen, also die Gitterenthalpie $\Delta H_{Gitter}$.

  • Bestimme die Hydratationsenthalpien der Alkalimetall-Ionen.

    Tipps

    Der Betrag der Hydratationsenthalpie nimmt in einer Gruppe mit steigender Ordnungszahl ab.

    Lithium hat die Ordnungszahl 3.

    Lösung

    Ionen haben verschiedene Durchmesser. So sind Anionen meist groß, da sie zusätzliche Elektronen aufgenommen haben und so mehr Elektronen die äußere Schale besetzen. Kationen dagegen sind meist klein. Sie geben Elektronen ab und besitzen somit eine Schale weniger als das Atom aus dem sie entstanden sind.

    In einer Gruppe (also Spalte des PSE) nimmt der Radius der Ionen von oben nach unten (also mit steigender Ordnungszahl) zu. Kleine Ionen sind besonders gut solvatisierbar, da ihre Ladung einen größeren Einfluss hat als die bei größeren Ionen der Fall ist, und es nicht viele Wassermoleküle braucht, um eine Hydrathülle aufzubauen. Aus diesem Grund wird bei der Hydratation immer weniger Energie frei, je weiter man in einer Gruppe nach unten kommt.

  • Berechne, ob das Lösen von Kochsalz eine endotherme oder exotherme Reaktion ist.

    Tipps

    Exotherme Reaktionen haben eine negative Enthalpie.

    Um die Ionen aus dem Gitter zu lösen, wird Energie benötigt. Bei der Hydratation der Ionen wird Energie frei.

    Lösung

    Salze liegen in Ionengittern vor. In diesen wirken coulombsche Anziehungskräfte zwischen den Kationen und den Anionen des Salzes. Diese Kräfte sind sehr groß. Aus diesem Grund ist die Gitterenergie, also die Energie, die aufgebracht werden muss, um die Ionen aus dem Gitter zu lösen, bei den meisten Salzen sehr hoch.

    Bei der Hydratation, also dem Aufbau einer Hydrathülle um die Ionen, wird Energie frei. Der Grund dafür ist, dass die Ionen so abgeschirmt sind. Daher stellt dies einen energieärmeren und damit stabileren Zustand dar. Das Verhältnis der Gitter- und Hydratationsenergie zueinander gibt nun an, ob das Salz eine exotherme (Wärmeentwicklung) oder endotherme (Abkühlung) Reaktion beim Lösen zeigt.

    • Hydratationsenergie > Gitterenergie: Salz löst sich unter Wärmeentwicklung
    • Hydratationsenergie = Gitterenergie: Salz löst sich
    • Hydratationsenergie < Gitterenergie: Salz löst sich unter Abkühlung
    • Hydratationsenergie << Gitterenergie: Salz löst sich nicht