Ionen
En Ion ass en Atom oder eng Grupp vun Atomer mat enger netto elektrescher Ladung. D’Ladung entsteet, well d’Zuel vun de Protonen an Elektronen net méi d’selwecht ass. Bei normaler Ionebildung bleift de Kär meeschtens onverännert.
Ladung aus dem Elektronenzielen
Fir e monoatomaren Ion:
Ladung/e = Zuel vun de Protonen − Zuel vun den Elektronen
Al³⁺ huet 13 Protonen an 10 Elektronen. O²⁻ huet 8 Protonen an 10 Elektronen. Béid hu 10 Elektronen, mee hir Kärladunge sinn ënnerschiddlech.
Elektronekonfiguratioune vun Ionen
Ione vun den Haaptgruppen entstinn dacks duerch d’Ofginn oder Ophuele vun Elektronen aus der baussenzeger besater Schuel. Na: [Ne]3s¹ gëtt Na⁺: [Ne]. Cl: [Ne]3s²3p⁵ gëtt Cl⁻: [Ar].
Bei Ione vun Iwwergangsmetaller ass méi Virsiicht néideg. Och wann 4s bei neutralen Atomer virun 3d gefëllt gëtt, ginn 4s-Elektronen normalerweis als éischt ewechgeholl, soubal d-d’Ënnerschuel besat ass. Fe gëtt dacks als [Ar]3d⁶4s² geschriwwen; Fe²⁺ ass [Ar]3d⁶.
Polyatomar Ione behalen kovalent Bindungen am banneschten
NH₄⁺, SO₄²⁻ an NO₃⁻ si gelueden Gruppen, keng isoléiert gelueden Atomer. Hir Atomer bleiwen duerch kovalent Bindunge verbonnen, wärend d’Grupp als Ganzt eng netto Ladung dréit.
Lewis-Strukturen a Resonanz hëllefen, dës Ladung ze verdeelen. Eng formell Ladung op engem Atom an enger Lewis-Form däerf net automatesch als lokaliséiert gemoosse Ladung interpretéiert ginn.
Ionen a Feststoffer, Schmelzen a Léisungen
An engem ionesche Feststoff sëtzen d’Ionen an engem ausgedeente Gitter. Si kënne sech net fräi beweegen, dofir leet de Feststoff normalerweis schlecht. An enger Schmelz oder Léisung kënne beweeglech Ionen Ladung transportéieren.
Am Waasser si Ione solvatiséiert: polar Waassermolekülle riichte sech ronderëm si aus. Hydratatioun ännert déi effektiv Interaktiounen an ass e wichtegen Deel vun der Energetik vum Opléisen.
Tool fir Elektronen ze zielen
Benotz eng Ladung mat Virzeechen: +2 fir e 2+-Kation, −1 fir en 1−-Anion.
Ionebildung ass en Energiebilan
En Elektron aus engem neutralen Atom ewechzehuelen erfuerdert Ioniséierungsenergie. En Elektron bäizesetzen huet eng Energieännerung vun der Elektronenaffinitéit. En isoléierten Na-Atom gëtt net spontan zu Na⁺ nëmme well Na⁺ eng Edelgaskonfiguratioun huet: Energie muss geliwwert ginn, fir den Elektron ewechzehuelen.
Bei der Bildung vun NaCl gëtt dëse Käschtepunkt duerch aner favorabel Termen kompenséiert, virun allem duerch d’Attraktioun am Ionegitter. An enger Léisung kann d’Hydratatioun staark stabiliséieren. Stabil Ione entstinn aus dem gesamten Energiebilan vum chemeschen Ëmfeld.
Isoelektronesch Ione trennen Elektronenzuel a Kärladung
O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺, Mg²⁺ an Al³⁺ hunn all 10 Elektronen. Hir Gréisste sinn awer verschidden, well hir Kären 8, 9, 10, 11, 12 respektiv 13 Protonen enthalen.
O²⁻ > F⁻ > Ne > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺ am Radius.
An enger isoelektronescher Serie zéien méi Protonen déi selwecht Elektronepopulatioun méi staark no bannen.
D’Ladungsbilanz bestëmmt ionesch Formelen
Eng makroskopesch ionesch Verbindung ass elektresch neutral. Dat einfachst ganzzuelegt Verhältnis vu Kationen an Aniounen muss déi total positiv an negativ Ladung ausgläichen.
| Ionen | Neutral Formel | Ladungskontroll |
|---|---|---|
| Na⁺ a Cl⁻ | NaCl | +1 −1 = 0 |
| Mg²⁺ a Cl⁻ | MgCl₂ | +2 + 2(−1) = 0 |
| Al³⁺ an O²⁻ | Al₂O₃ | 2(+3) + 3(−2) = 0 |
| Ca²⁺ a PO₄³⁻ | Ca₃(PO₄)₂ | 3(+2) + 2(−3) = 0 |
D’Indize beschreiwen d’Verhältnis vun den Ionen an der Formeleenheet; si sinn net d’Ladunge selwer.
Variabel Ladung bei Iwwergangsmetaller
Iwwergangsmetaller bilden dacks méi wéi ee stabilen Ion, well ns- an (n−1)d-Zoustänn energetesch no beienee leien. Eisen bildt dacks Fe²⁺ a Fe³⁺; Koffer bildt Cu⁺ a Cu²⁺.
Dofir spezifizéiere Nimm wéi Eisen(II)-chlorid an Eisen(III)-chlorid den Oxidatiounszoustand. Déi réimesch Zuel bezitt sech op d’Kationeladung an dësen ionesche Verbindungen, net op d’Zuel vun den Atomer an der Formel.
Ioniséierung, Dissoziatioun an Opléise si verschidde Prozesser
Wann NaCl sech opléist, trenne sech déi schonn existente Na⁺- a Cl⁻-Ionen vum Kristall a ginn hydratiséiert; dat ass Dissoziatioun. Wann HCl sech am Waasser opléist, produzéiert e Protonentransfer H₃O⁺ a Cl⁻; dat gëtt dacks Ioniséierung genannt, well neutral HCl-Moleküllen Ionen am Léisungsmëttel bilden.
Dës Begrëffer däerfen net zu „d’Verbindung gëtt zu Ionen“ zesummegefall ginn. De mikroskopesche Startpunkt ass anescht: en Ionegitter enthält schonn Ionen, wärend eng molekular Substanz duerch eng chemesch Reaktioun mam Léisungsmëttel Ione schafe kann.
Hydratatiounsschuelen an Ionemobilitéit
Waassermolekülle riichten hir Sauerstoffsäit op Katiounen an hir Waasserstoffsäiten op Aniounen. Déi éischt Hydratatiounsschuel ass strukturéiert an net zoufälleg; kleng staark gelueden Ione kënne Waasser besonnesch staark bannen.
D’hydratiséiert Gréisst kann Erwaardungen op Basis vum plakegen Ioneradius ëmkehren. Li⁺ ass e ganz klengen nackten Ion, mee en hydratiséiert staark; säin effektivt hydrodynamescht Verhalen am Waasser follegt also net einfach aus engem Verglach vu Kristallradien.
D’elektresch Leetfäegkeet vun enger Léisung hänkt souwuel vun der Zuel vun de Ladungsdréier wéi och dovun of, wéi séier all hydratiséierten Ion sech duerch d’Léisungsmëttel beweegt.
Heefeg Ionen a chemesch Nimm
| Ion | Numm | Bemierkung |
|---|---|---|
| NH₄⁺ | Ammonium | heefege polyatomare Kation |
| OH⁻ | Hydroxid | Säure-Base-Chemie |
| NO₃⁻ | Nitrat | duerch Resonanz delokaliséierten Anion |
| SO₄²⁻ | Sulfat | 2−-Oxyanion |
| CO₃²⁻ | Carbonat | zentral a Säure-Base-Gläichgewiichter |
| PO₄³⁻ | Phosphat | 3−-Oxyanion |
Klameren a Formele gruppéieren e polyatomaren Ion, wann méi wéi een dovun néideg ass: Ca(NO₃)₂ enthält zwee Nitrat-Ione fir all Ca²⁺.
Ionepaarbildung: a konzentréierte Léisunge kënnen entgéintgesat gelueden Ione fir en Deel vun der Zäit verbonne bleiwen. Leetfäegkeet an thermodynamescht Verhale kënnen dofir vum ideale Bild vu komplett onofhängegen hydratiséierten Ionen ofwäichen.
D’Ladungsdicht ass wichteg: e klengen 2+-Ion wéi Mg²⁺ polariséiert noost Léisungsmëttel oder Aniounen vill méi staark wéi e groussen 1+-Ion. D’Ioneladung eleng geet net duer, fir d’Stäerkt vun der Interaktioun virauszesoen.
Übungen
Kalzium-Ion
Wéi vill Elektronen huet Ca²⁺ (Z=20)?
Léisung
18 Elektronen.
Gréisst par rapport zum Atom
Wat ass méi grouss, Na oder Na⁺?
Léisung
Na. Bei der Bildung vun Na⁺ gëtt den 3s-Elektron an domat déi ganz n=3-Valenzschuel ewechgeholl.
Eisen
Gëff aus [Ar]3d⁶4s² d’Konfiguratioun vu Fe³⁺ un.
Léisung
Huel zwee 4s-Elektronen an duerno een 3d-Elektron ewech: [Ar]3d⁵.