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Kationen, Anionen und die Neigung zur Ionenbildung

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Team Digital
Kationen, Anionen und die Neigung zur Ionenbildung
lernst du in der 8. Klasse - 9. Klasse - 10. Klasse

Grundlagen zum Thema 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 sind positiv geladene Ionen, also geladene Teilchen, die durch die Abgabe von Elektronen aus neutralen Atomen (oder Molekülen) entstehen.

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 sind negativ geladene Ionen, also geladene Teilchen, die durch die Aufnahme von Elektronen aus neutralen Atomen (oder Molekülen) entstehen.

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:

Kationen, Anionen und die Ionenbildung

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

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kationen und Anionen

Was sind Kationen?
Was sind Anionen?
Wie entstehen Kationen?
Wie entstehen Anionen?
Wie sind Kationen geladen?
Welche Elemente bilden Kationen?
Welche Atome bilden Kationen?
Welche Hauptgruppen bilden Kationen?
Welche Hauptgruppen bilden Anionen?

Kationen, Anionen und die Neigung zur Ionenbildung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Kationen, Anionen und die Neigung zur Ionenbildung kannst du es wiederholen und üben.
  • 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.