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Chemie · Chemische Bindung
Wie Ionen entstehen, warum Salze ein Gitter bilden und was daraus für Leitfähigkeit, Sprödigkeit und Löslichkeit folgt. Dazu Formeln und Namen wichtiger Ionen.
Eine Ionenbindung ist die Anziehung zwischen Kationen (+) und Anionen (–). Sie wirkt in alle Richtungen, darum bilden Salze ein Gitter und keine Moleküle.
Ein Metall gibt Elektronen ab, ein Nichtmetall nimmt sie auf. Beide enden bei der Elektronenzahl eines Edelgases, das ist der Antrieb. → Ausführlich in: Schalen
Das Kation ist kleiner, weil es meist seine ganze Außenschale verliert. Das Anion ist größer: gleiche Kernladung, mehr Elektronen, die sich abstoßen.
Teilchen mit gleicher Elektronenzahl heißen isoelektronisch: Na⁺, Mg²⁺, F⁻, O²⁻ und Ne haben alle 10 Elektronen. Ein Hauptgruppen-Kation ist isoelektronisch zum Edelgas der vorherigen Periode, ein Anion zum Edelgas der eigenen.
Ein Elektron abzuspalten kostet immer Energie (Ionisierungsenergie). Bei Halogenen setzt die Aufnahme eines Elektrons Energie frei (Elektronenaffinität).
Die Bindung lohnt sich trotzdem, weil das Gitter mehr Energie freisetzt, als das Umladen kostet. → Ausführlich in: Periodensystem (Ordnungsprinzip, Gruppen, Perioden)
Ab einer Elektronegativitätsdifferenz von etwa 1,7 überwiegt die Ionenbindung, typisch bei Metall plus Nichtmetall (Na/Cl, Mg/O). Darunter teilen sich die Partner Elektronen. → Ausführlich in: Atombindung
Stell dir positive und negative Kugeln vor, die in alle Richtungen ziehen. Jedes Ion umgibt sich mit Gegenionen, so wächst ein dreidimensionales Ionengitter. Die Bindung ist ungerichtet.
Die Koordinationszahl ist die Zahl der direkten Nachbarn mit Gegenladung. In NaCl beträgt die Koordinationszahl 6: Jedes Na⁺ sitzt in der Mitte von sechs Cl⁻ (Oktaeder), und umgekehrt.
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Deine AufgabeZähle die direkten Nachbarn des Na⁺ in der Mitte. Warum liegen in der Nachbarschaft keine weiteren Na⁺-Ionen?
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Ein Gitter hat keine Moleküle. Du gibst nur das kleinste Zahlenverhältnis an, die Formeleinheit. Es folgt aus dem Ladungsausgleich:
2 · (+3) + 3 · (–2) = 0 → Al₂O₃Al³⁺ und O²⁻
Umgekehrt liest du Ladungen ab: In Fe₂O₃ tragen 3 O²⁻ zusammen –6, also trägt jedes der 2 Fe die Ladung +3 (Eisen(III), Oxidationszahl +III). → Ausführlich in: Oxidationszahlen
Die Gitterenergie musst du aufwenden, um ein Gitter in gasförmige Ionen zu zerlegen. Beim Aufbau des Gitters aus den Ionen wird derselbe Betrag frei.
| Salz | Ladungen | Gitterenergie |
|---|---|---|
| NaCl | 1+ und 1– | 788 kJ/mol |
| MgO | 2+ und 2– | 3890 kJ/mol |
Gitterenergie steigt mit höheren Ionenladungen und kleineren Ionenradien. Bei MgO sind beide Ionen doppelt geladen und kleiner, darum ist die Gitterenergie knapp fünfmal so hoch wie bei NaCl.
| Zustand | Leitet Strom? |
|---|---|
| fest | nein, Ionen sitzen fest |
| Schmelze | ja, Ionen sind beweglich |
| gelöst | ja, Ionen sind beweglich |
Solche Schmelzen und Lösungen heißen Elektrolyte. Dazu kommen hohe Schmelz- und Siedepunkte, weil das Gitter stark hält.
Salze sind spröde. Bei Druck verschieben sich die Ionenschichten gegeneinander, bis gleichnamige Ionen nebeneinander stehen. Sie stoßen sich ab, und der Kristall bricht glatt.
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Deine AufgabeVergleiche die Ionen direkt über und unter der Bruchlinie vor und nach der Verschiebung: Warum verformt sich ein Salzkristall nicht wie ein Metall?
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Wassermoleküle sind Dipole. Sie lagern sich mit dem negativen O-Ende an Kationen und mit den positiven H-Enden an Anionen an (Hydratation). Die Hydrathülle löst die Ionen aus dem Gitter. → Ausführlich in: Sauerstoff Wasser
ΔH(Lösung) = Gitterenergie + ΔH(Hydratation)ΔH(Hydratation) ist negativ
Eine negative Lösungsenthalpie begünstigt das Lösen. Ist sie leicht positiv, löst sich ein Salz oft trotzdem, weil die Entropie mitspielt. → Ausführlich in: Exotherm endotherm
Gut lösen Salze mit hoher Hydratationsenergie in polaren Lösungsmitteln. Eine sehr hohe Gitterenergie erschwert das Lösen.
Das Carbonat-Ion ist flach (trigonal-planar, 120°): C in der Mitte, drei O in einer Ebene.
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Deine AufgabeVerfolge, wie Natrium sein Außenelektron an Chlor abgibt: Welches Ion wird kleiner, welches größer, und warum halten die Ionen zusammen?
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