Kationen, Anionen und die Neigung zur Ionenbildung

Ionenbildung von Kationen und Anionen

Dir ist bestimmt schon der Begriff der chemischen Bindung begegnet. Wusstest du, dass es in der Chemie viele Möglichkeiten gibt, wie Atome miteinander verbunden sein können – also verschiedene Bindungsarten? In diesem Text lernst du die Ionenbindung kennen. Dazu betrachten wir zunächst die Chemie der Kationen und Anionen und wie diese gebildet werden. Dann zeigen wir, wie es über die Ionenbildung zur Ionenbindung kommt.

Kationen – Definition

Du kennst bereits den Aufbau des Periodensystems der Elemente. Die Elemente der $\text{I.}$ Hauptgruppe, auch Alkalimetalle genannt, besitzen alle ein Außenelektron, auch als Valenzelektron bezeichnet. Die Atome dieser Elemente neigen dazu, dieses eine Außenelektron abzugeben, um die Oktettregel zu erfüllen und die Edelgaskonfiguration, also acht Valenzelektronen, zu erreichen (bzw. zwei im Fall von Lithium). Ausnahme hierbei ist das Element Wasserstoff, welches auch nicht zu den Alkalimetallen gezählt wird. Wasserstoff besitzt nur eine Elektronenschale und ein Elektron. Es kann entweder dieses eine Elektron abgeben oder ein weiteres aufnehmen, um eine mit zwei Elektronen voll besetzte Schale zu erreichen. Am Beispiel des Elements Natrium ($\ce{Na}$) wird im Folgenden gezeigt, wie die Abgabe eines Elektrons dargestellt wird:

$\ce{Na → Na^{+} + e^{-}}$

Durch die Abgabe des einen Außenelektrons entsteht aus dem ungeladenen Natriumatom ein einfach positiv geladenes Natriumion. Alle positiv geladenen Ionen werden als Kationen bezeichnet. Die äußere Elektronenschale des Natriums ist damit unbesetzt und die darunterliegende Schale, die acht Elektronen enthält, wird zur äußersten besetzten Schale. Natrium besitzt nun acht Außenelektronen und damit die Edelgaskonfiguration. Auch die Elemente der $\text{II.}$ Hauptgruppe (die sogenannten Erdalkalimetalle) bilden Kationen. Da diese Elemente zwei Außenelektronen besitzen, geben diese zwei Elektronen ab und es entstehen zweifach positiv geladene Kationen mit acht Außenelektronen. Das ist beispielsweise bei Magnesium ($\ce{Mg}$) der Fall:

$\ce{Mg → Mg^{2+} + 2e^{-}}$

Kationen – Ionisierungsenergie

Die Bildung von Kationen geschieht nicht spontan, sondern erfordert Energie. Die Energie, die benötigt wird, damit ein Atom ein Elektron abgeben kann, wird als Ionisierungsenergie bezeichnet. Die notwendige Ionisierungsenergie nimmt innerhalb der Gruppen im Periodensystem von oben nach unten ab. Warum ist das so?
Innerhalb einer Gruppe nimmt von oben nach unten die Anzahl der Elektronenschalen zu. So nimmt die Entfernung der Außenelektronen zum positiv geladenen Kern ebenfalls zu. Dadurch nimmt die Stärke der elektrostatischen Anziehung im Atom ab, weshalb beispielsweise Caesium ($\ce{Cs}$) leichter sein Elektron abgibt als Natrium ($\ce{Na}$).

Anionen – Definition

Du weißt jetzt, was Kationen sind. Im Folgenden erfährst du, was Anionen sind. Anders als die Metalle der ersten beiden Hauptgruppen haben die Nichtmetalle in den Hauptgruppen im Periodensystem die Tendenz zur Elektronenaufnahme. So verfügen beispielsweise die Atome der Elemente der $\text{VI.}$ und $\text{VII.}$ Hauptgruppe in der Außenschale über sechs bzw. sieben Valenzelektronen. Damit fehlen den Elementen der $\text{VI.}$ Hauptgruppe nur noch zwei und den Elementen der $\text{VII.}$ Hauptgruppe nur noch ein Elektron bis zur Edelgaskonfiguration. Bei der Aufnahme von Elektronen entstehen negativ geladene Ionen, welche als Anionen bezeichnet werden. Als Beispiel wird hier das Element Chlor ($\ce{Cl}$) aus der $\text{VII.}$ Hauptgruppe betrachtet:

$\ce{Cl + e^{-} →Cl^{-} }$

Durch die Aufnahme eines Elektrons entsteht aus dem ungeladenen Chlor ein einfach negativ geladenes Chlorion, also ein Anion.

Anionen – Elektronenaffinität

Anders als bei der Bildung von Kationen wird bei der Elektronenaufnahme keine Ionisierungsenergie benötigt. Vielmehr wird Energie frei, wenn sich Anionen bilden. Die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen (mit und ohne zusätzliches Elektron) wird als Elektronenaffinität des jeweiligen Atoms bzw. des Elements bezeichnet.

Die Neigung zur Ionenbildung und Ionenbindung in der Chemie

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Ladung können Kationen und Anionen chemische Bindungen eingehen. Diese Art der Bindung trägt die Bezeichnung Ionenbindung. In der Regel geben Metallatome Elektronen ab, die von den Nichtmetallatomen aufgenommen werden. Somit haben sowohl Metalle als auch Nichtmetalle die Tendenz zur Ionenbildung und ihre jeweiligen Kationen und Anionen gemeinsam die Neigung zur Ionenbindung. Dies ist nicht zwischen allen möglichen Kombinationen von Elementen der Fall, sondern hängt im Wesentlichen von einer Eigenschaft ab, die als Elektronegativität ($EN$) bezeichnet wird. Das ist ein Wert, der die Tendenz eines Atoms angibt, Elektronen anzuziehen, und ist im Periodensystem der Elemente ablesbar. Je größer die Elektronegativität, desto stärker zieht das Element Elektronen von anderen Elementen an. Metalle besitzen in der Regel eine geringere Elektronegativität als Nichtmetalle. Liegt die Differenz der Elektronegativitäten ($\Delta EN$) zweier Elemente über dem Wert von $\pu{1,7}$, ist die Neigung zur Ionenbindung sehr hoch. Die Neigung zur Ionenbindung wird hier am Beispiel Natriumchlorid ($\ce{NaCl}$) erläutert. Wie bereits oben kennengelernt, bildet Natrium Kationen und Chlor Anionen:

$\ce{Na → Na^{+} + e^{-}}$

$\ce{Cl + e^{-} →Cl^{-} }$

Die Elektronegativität von Natrium ist mit $\pu{0,9}$ sehr gering und die von Chlor mit $\pu{3,2}$ sehr hoch. Die Differenz dieser beiden Werte liegt bei $\pu{2,3}$ und damit deutlich über dem Schwellenwert von $\pu{1,7}$. Chlor zieht also das Außenelektron von Natrium an sich. Das Natrium gibt sein Außenelektron leicht ab. Die dabei gebildeten Ionen bilden eine stabile Ionenbindung – die Verbindung $\ce{NaCl}$ entsteht:

$\ce{Na^{+} + Cl^{-} → NaCl }$

Kationen, Anionen und die Neigung zur Ionenbildung – Zusammenfassung

In diesem Text wurden Kationen, Anionen, die Neigung von Atomen zur Bildung von Ionen und die Ionenbindung einfach erklärt. Die verschiedenen Begriffe sowie das Prinzip der Ionenbildung sind in folgender Abbildung übersichtlich zusammengefasst:

Du kannst nun Übungen und Arbeitsblätter zum Thema bearbeiten, um dein Wissen zu prüfen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kationen und Anionen