Kationen, Anionen und die Neigung zur Ionenbildung

Kationen, Anionen und die Neigung zur Ionenbildung Übung

• Gib an, was die Ionisierung mit einem Raketenflug zu tun hat.

  Tipps

  Die Ionisierung hat mit Energie zu tun.

  Die negativ geladenen Elektronen werden von den positiv geladenen Protonen im Atomkern angezogen.

  Lösung

  In jedem Atom wirkt die Coulombkraft. Das ist die elektrostatische Anziehung, die dafür sorgt, dass die negativ geladenen Elektronen in der Atomhülle nicht einfach wegfliegen, sondern in der Nähe des positiv geladenen Atomkerns bleiben, wodurch die Ladungen sich ausgleichen.

  Um ein Atom zu ionisieren, also ihm mindestens ein Elektron abzunehmen, muss mindestens diese Anziehungskraft überwunden werden. Ähnlich wie eine Rakete Energie benötigt, um der Gravitationskraft der Erde zu entfliehen, ist auch eine gewisse Energiemenge nötig, um die Coulombkraft in einem Atom zu überwinden.

• Benenne die Ionen.

  Tipps

  Kationen sind positiv geladene Ionen.

  Lösung

  Im Periodensystem der Elemente gibt es Metalle, Nichtmetalle sowie Halbmetalle.

  
  Metalle geben aufgrund ihrer Struktur Elektronen leichter ab. Dies zeigt sich unter anderem in ihrer niedrigen Ionisierungsenergie:

  • Natrium steht als Alkalimetall in der ersten Hauptgruppe. Durch die Abgabe des einen Außenelektrons verändert es sich zu einem positiv geladenen Natrium-Kation $\ce{(Na+)}$.
  • Auch Magnesium hat die Tendenz, seine zwei Außenelektronen abzugeben, um eine voll besetzte Außenschale zu erhalten. Daher bildet es durch Elektronenabgabe ein Magnesium-Kation $\ce{(Mg^2+)}$.

  
  Nichtmetalle hingegen nehmen lieber Elektronen auf:

  • Chlor fehlt nur noch ein Außenelektron, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Durch die Aufnahme des fehlenden Elektrons bildet es ein Chlor-Anion $\ce{(Cl^-)}$.
  • Auch Sauerstoff zählt zu den Nichtmetallen. Indem es zwei Elektronen aufnimmt, verändert es sich zu einem Sauerstoff-Anion $\ce{(O^2-)}$.

• Erkläre die Ionisierungsenergie genauer.

  Tipps

  Je mehr Schalen vorhanden sind, umso weiter entfernt sind die Außenelektronen von dem Atomkern.

  Lösung

  Die Ionisierungsenergie ist die Energie, die benötigt wird, um die Coulombkraft in einem Atom zu überwinden. Denn sie hält die Elektronen im Atom. Sie ist bei verschiedenen Elementen unterschiedlich groß.

  Innerhalb einer Periode nimmt die Ionisierungsenergie von links nach rechts zu. Das liegt daran, dass die Anzahl der Protonen (und damit die Kernladung) der Reihe nach zunimmt.

  Innerhalb der Gruppen nimmt die Ionisierungsenergie ab: Mit jeder Periode kommt eine Schale hinzu. Damit wächst der Abstand zwischen den Außenelektronen und dem Atomkern. Die Coulombkräfte werden folglich umso schwächer, je größer das Atom insgesamt ist.

• Bestimme die Bindungstypen der chemischen Verbindungen.

  Tipps

  Bei einer Elektronegativitätsdifferenz größer als $1,\!7$ sprechen wir von einer Ionenbindung.

  Wenn sich die Elektronegativitäten kaum unterscheiden, dann liegt eine unpolare Atombindung vor.

  Lösung

  Die Elektronegativität ist keine Energie, sondern ein einfacher Zahlenwert, der sich aus den meisten Periodensystemen herauslesen lässt. Sie ist ein relatives Maß für die Neigung eines Elements, Elektronen in einer Bindung an sich zu ziehen. Durch den Vergleich der Elektronegativitäten zweier Bindungspartner können wir letztendlich auch die unterschiedlichen Bindungstypen ermitteln.

  Dazu bilden wir die Elektronegativitätsdifferenz, ziehen also den kleineren vom größeren der beiden Werte ab. Das Ergebnis verrät uns dann, um welche Bindungsart es sich handelt:

  • Liegt der Betrag der Differenz über dem Schwellenwert von $1,\!7$ $\boldsymbol{(>1,\!7)}$, liegt eine Ionenbindung vor.
  • Elemente, deren Elektronegativitäten sich kaum unterscheiden $\boldsymbol{(<0,\!5)}$, bilden eine unpolare Atombindung aus.
  • Reaktionspartner, deren Elektronegativitäten zwischen $\boldsymbol{0,\!5}$ und $\boldsymbol{1,\!7}$ liegen, sind in einer polaren Atombindung verbunden.

  Die genannten Schwellen sind nur Richtwerte, da eigentlich ein fließender Übergang zwischen den Bindungstypen zu beobachten ist, aber so können wir immerhin einschätzen, wie die Verbindung aussieht.

  $\underline{\text{Natriumchlorid}}$:

  • EN $\ce{(Na)}$: $0,\!93$
  • EN $\ce{(Cl)}$: $3,\!2$

  $\to$ EN-Differenz: $2,\!27$ $\to$ Ionenbindung

  $\underline{\text{Methan}}$:

  • EN $\ce{(C)}$: $2,\!6$
  • EN $\ce{(H)}$: $2,\!2$

  $\to$ EN-Differenz: $0,\!4$ $\to$ unpolare Atombindung

  $\underline{\text{Magnesiumoxid}}$:

  • EN $\ce{(Mg)}$: $1,\!3$
  • EN $\ce{(O)}$: $3,\!4$

  $\to$ EN-Differenz: $2,\!1$ $\to$ Ionenbindung

  $\underline{\text{Chlorwasserstoff}}$:

  • EN $\ce{(Cl)}$: $3,\!2$
  • EN $\ce{(H)}$: $2,\!2$

  $\to$ EN-Differenz: $1,\!0$ $\to$ polare Atombindung

• Entscheide, ob es sich um Anionen oder Kationen handelt.

  Tipps

  Das ist beispielsweise ein Kation:

  $\ce{Li+}$

  Lösung

  Ein Atom besteht aus einem Atomkern, der Protonen (positiv geladene Teilchen) und Neutronen (neutral geladene Teilchen) enthält, sowie Elektronen (negativ geladene Teilchen), die den Atomkern umkreisen. In einem neutralen Atom ist die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen, was zu einer insgesamt neutralen Ladung führt.

  Ionen sind hingegen geladene Teilchen. Sie entstehen, wenn ein Atom Elektronen abgibt oder aufnimmt:

  Kationen sind positiv geladen. Sie werden gebildet, wenn ein Atom ein oder mehrere Elektronen abgibt. Typische Beispiele sind Magnesium und Natrium, die durch die Abgabe ihrer Außenelektronen zu Magnesium-Kationen ($\ce{Mg2+}$) und Natrium-Kationen ($\ce{Na+}$) werden.

  Anionen sind negativ geladen. Sie entstehen, wenn ein Atom ein oder mehrere Elektronen aufnimmt. Chlor und Sauerstoff neigen beispielsweise dazu, Elektronen aufzunehmen, um eine voll besetzte Elektronenschale zu erreichen. Dadurch werden sie zu Chlor-Anionen ($\ce{Cl-}$) beziehungsweise Sauerstoff-Anionen ($\ce{O2-}$).

  Ionen können auch aus mehreren Atomen zusamenngesetzt sein, wenn diese in einem Molekül-Ion gebunden sind, das insgesamt eine positive oder eine negative Ladung aufweist. Beispiele dafür sind $\ce{NH4+}$ und $\ce{NO3-}$.

• Vergleiche Natrium und Chlor in Bezug auf die Verbindung Natriumchlorid.

  Tipps

  Anionen sind negativ geladen.

  Die Ionisierungsenergie beschreibt, wie viel Energie eingesetzt werden muss, um ein Atom zur Elektronenabgabe zu bewegen.

  Lösung

  Alle Elemente streben die Edelgaskonfiguration an. Das heißt, sie möchten eine voll besetzte Außenschale besitzen. Das gelingt unter anderem, indem sie Elektronen abgeben oder aufnehmen. Je nach Stoffgruppe beziehungsweise Stellung im Periodensystem der Elemente neigen Atome eher dazu, Elektronen aufzunehmen oder eher abzugeben:
  
  $\underline{\text{Natrium}}$

  • Natrium steht in der ersten Hauptgruppe und ist somit ein Metall.
  • Da es ein Elektron abgibt, bildet es ein positiv geladenes Kation.
  • Natrium hat eine niedrige Ionisierungsenergie. Das liegt daran, dass es nur ein Außenelektron in seiner äußersten Schale hat. Dieses Elektron ist relativ leicht zu entfernen.

  
  $\underline{\text{Chlor}}$

  • Chlor steht in der siebten Hauptgruppe und ist somit ein Nichtmetall.
  • Durch die Elektronenaufnahme bildet es ein negativ geladenes Anion aus.
  • Chlor hat eine hohe Elektronenaffinität: Es strebt danach, ein zusätzliches Elektron aufzunehmen, um seine äußere Schale zu füllen.