Kationen, Anionen und Neigung zur Ionenbildung

Guten Tag und herzlich willkommen! In diesem Video geht es um Kationen, Anionen und Neigung zur Ionenbindung. Als Vorkenntnisse solltet Ihr solides Wissen über das Atom, den Atombau, die Atomorbitale, die Oktettregel, die Edelgaskonfiguration und die Metallbindung mitbringen. Ziel des Videos ist es, Euch eine Einführung in die Ionenbindung über das Verständnis für die Abgabe und Aufnahme von Elektronen durch Atome zu präsentieren. Das Video ist in 4 Abschnitte gegliedert.

1. Kationen und Ionisierungsenergie
2. Anionen und Elektronenaffinität
3. Elektronegativität und Neigung zur Ionenbildung
4. Zusammenfassung.  
5. Kationen und Ionisierungsenergie Die chemischen Elemente Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium gehören allessamt zur ersten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Alle diese Elemente verfügen über jeweils nur ein Außenelektron. Daher zeigen alle diese Elemente auch gemeinsame chemische Eigenschaften. Auf atomarem Niveau betrachtet zeigen die Atome dieser chemischen Elemente eine Neigung zur Elektronenabgabe. Chemisch formuliert sieht das so aus: Na reagiert zu Na+ + einem Elektron. Das gebildete Natriumteilchen ist ein Natriumion. Da es positiv geladen ist, bezeichnet man es als Kation. Durch die Elektronenabgabe kommt zu einer Veränderung der Elektronenkonfiguration vom Natriumatom zum Natriumion. Das Natriumatom hat folgende Elektronenkonfiguration 1s2 2s2 2p6 3s1. Das Natriumion besitzt die Elektronenkonfiguration 1s2 2s2 2p6. Die Elektronenabgabe hat zur Folge, dass das Natriumion die Elektronenkonfiguration des stabilen Neonatoms besitzt. Das ist ohne Zweifel eine sogenannte Edelgaskonfiguration. Das bedeutet eine stabile Elektronenkonfiguration. Das Natriumion erfüllt die Oktettregel. Ungeachtet dieser Stabilität ist Energie notwendig, um dieses Elektron vom Natriumatom abzulösen. Diese Energie wird als Ionisierungsenergie betrachtet. Für ein Mol Natriumatome beträgt diese Energie 496 kJ/mol. Die Elemente der zweiten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente Beryllium, Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium und Radium besitzen jeweils 2 Außenelektronen. Auch diese Elemente zeigen eine Neigung zur Elektronenabgabe. Chemisch formuliert schreiben wir: Mg reagiert zu Mg2+ + 2 Elektronen. Aus dem Magnesiumatom entsteht ein Magnesiumion. Dieses Ion ist zweifach positiv geladen. Daher handelt es sich um ein Kation. Auch hier erfährt die Elektronenkonfiguration eine Veränderung. Sie lautet beim Magnesiumatom 1s2 2s2 2p6 3s2. Beim Magnesiumion lautet sie 1s2 2s2 2p6. Genau wie das Natriumion hat auch das Magnesiumion die Elektronenkonfiguration des Neons. Natürlich handelt es sich um eine stabile Edelgaskonfiguration. Die Oktettregel wird für die Elektronenkonfiguration des Magnesiumions erfüllt. Für die Entstehung des Magnesiumions ist ebenfalls eine Ionisierungsenergie notwendig. Die Leichtigkeit der Elektronenabgabe nimmt für die Elemente der zweiten Hauptgruppe, genau wie für die Elemente der ersten Hauptgruppe, von oben nach unten zu. Das heißt, die Ionisierungsenergien nehmen von oben nach unten ab.
6. Anionen und Elektronenaffinität Die Elemente Fluor, Chlor, Brom und Jod sind Elemente der 7. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Im Gegensatz zu den Metallen der ersten und zweiten Hauptgruppen des Periodensystems besitzen diese Elemente Tendenz zur Elektronenaufnahme. Die chemische Formulierung lautet: F + ein Elektron reagiert zu F-. Aus dem Fluoratom bildet sich ein Ion, das sogenannte Fluoridion. Da es sich um ein negatives Ion handelt, spricht man hier auch von einem Anion. Die Elektronenkonfiguration des Fluoratoms erfährt per Elektronenaufnahme eine Veränderung. Die Konfigurationen lauten entsprechend für das Fluoratom 1s2 2s2 2p5. Und für das Fluoridion 1s2 2s2 2p6. Das Fluoridion besitzt die Elektronenkonfiguration des Edelgasatoms Neon. Wir sprechen hier wieder von einer Edelgaskonfiguration. Die Oktettregel wird erfüllt. Die Fähigkeit, ein Elektron aufzunehmen, bezeichnet man als Elektronenaffinität. Das Fluoratom nimmt unter Energieabgabe das Elektron auf. Ein Mol an Fluoratomen liefert dabei 328 kJ/mol.
7. Elektronegativität und Neigung zur Ionenbildung Ich möchte nun die Elektronegativität durch das Anzeigen eines Ausschnitts aus dem Periodensystem der Elemente dokumentieren. Die Elektronegativitäten findet Ihr als kleine Zahlen rechts oben bei den einzelnen Elementekästchen. Die Elektronegativität charakterisiert die Tendenz eines Atoms gegenüber einem Partner Elektronen anzuziehen. Dabei bilden typische Metalle, hier blau untersetzt, Kationen. Während typische Nichtmetalle, hier rot untersetzt, vorzugsweise Anionen herausbilden. Kationen werden also vorzugsweise links im Periodensystem der Elemente gebildet. Während die rechten Elemente des Periodensystems der Elemente Anionen entstehen lassen. Nehmen wir ein Beispiel. Das Euch aus der Schule noch wohl bekannte Natriumchlorid. Das Natriumatom hat 0,9 als Elektronegativität, während das Chloratom eine Elektronegativität von 3,2 besitzt. Die Differenz der Elektronegativitäten, besser man müsste sagen der Betrag der Differenzen, beträgt 2,3. Dieser Wert ist größer als 1,7. Als Faustregel merke man: Beträgt die Differenz beider Reaktionspartner mehr als 1,7, so entsteht eine neue chemische Bindung. Die sogenannte Ionenbindung.
8. Zusammenfassung Die chemischen Elemente Lithium, Natrium, Kalium zeigen völlig andere Eigenschaften als die chemischen Elemente Fluor, Chlor und Brom. Kunststück auch. Denn bei den ersten 3 genannten handelt es sich um Metalle. Während die 3 letzten Nichtmetalle sind. Beim tieferen Verständnis dieser Eigenschaften spielt das Elektron eine zentrale Rolle. Typische Metalle des Periodensystems der Elemente geben Elektronen ab. Während typische Nichtmetalle des Periodensystems Elektronen aufnehmen. Für die Elektronenabgabe muss die sogenannte Ionisierungsenergie aufgebracht werden. Die Fähigkeit, Elektronen aufzunehmen, wird quantitativ durch die Elektronenaffinität beschrieben. Ob Elektronenabgabe oder Elektronenaufnahme, in jedem Fall bilden sich Ionen. Aus Metallen entstehen Kationen, während aus Nichtmetallen Anionen gebildet werden. Ein wichtiger Indikator für die Fähigkeit, vom Reaktionspartner Elektronen abzuziehen, ist die sogenannte Elektronegativität. Im Fall von Natriumchlorid beträgt die Differenz der Elektronegativitäten mehr als 1,7. In diesem Fall kommt die chemische Bindung durch die Anziehung unterschiedlich geladener Teilchen zustande. Dieser Bindungstyp heißt Ionenbindung. Danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen!