Ion
In diesem Beitrag erklären wir dir, was ein Ionen sind, welche Eigenschaften sie haben und wo sie in deinem Alltag eine Rolle spielen.
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Ion einfach erklärt
Ionen sind geladene Atome oder Moleküle. Ihre Ladung kommt dabei durch ein oder mehrere fehlende oder zusätzliche Elektronen zustande. Die Elektronenaufnahme oder -abgabe führt zum Erfüllen der Oktettregel. Als Ladungsträger spielen Ionen zum Beispiel eine wichtige Rolle in Batterien.
Die allgemeinen Reaktionsgleichungen für die Bildung von Ionen lauten:
A → An+ + n e– (Bildung eines Kations)
A reagiert zum n-fach positiv geladenen Kation An+. Es gibt dabei n Elektronen ab.
A + n e– → An- (Bildung eines Anions)
A nimmt n Elektronen auf und wird dabei zum n-fach negativ geladenen Anion An-.
Was ist ein Ion?
Normalerweise sind in Atomen dieselbe Anzahl positiv geladener Protonen wie negativ geladener Elektronen vorhanden. Wenn aber eine unterschiedliche Anzahl positiver Protonen und negativer Elektronen vorhanden ist, entsteht eine Ladung. Damit wird aus dem ungeladenen Atom oder Molekül ein Ion.
Wie funktioniert das mit der Ladung genau? Ganz einfach: Elektronen sind negativ geladene Elementarteilchen. Fehlt ein Elektron, hat das entsprechende Ion eine positive Ladung. In diesem Fall spricht man von einem Kation. Ist ein Elektron zusätzlich vorhanden, ist das entsprechende Ion negativ geladen und man spricht von einem Anion.
Ionen können auch mehrfach positiv oder mehrfach negativ geladen sein. Dann sind fehlen gleich mehrere Elektronen oder es gibt mehrere zusätzliche Elektronen. Die Ladung eines Ions wird in der Formelsprache der Chemie durch hochgestelltes Plus- oder Minuszeichen gekennzeichnet. Beispiele für die benutzte Schreibweise sind Na+ für das einfach positiv geladene Natriumkation oder SO42- für das zweifach negativ geladene Sulfatanion.
Ion Bildung
Wie bereits erwähnt, kommt es bei der Bildung von Ionen zur Aufnahme oder zur Abgabe von Elektronen. Bei Hauptgruppenelementen wird durch diese Aufnahme oder Abgabe die Oktettregel erfüllt.
Oktettregel
Die Oktettregel besagt, dass es energetisch günstig ist, wenn Atome durch die Ausbildung von Bindungen oder die Elektronenaufnahme oder -abgabe, eine mit acht Elektronen gefüllte äußere Atomschale (Valenzschale) erreichen. Das ist die sogenannte Edelgaskonfiguration. Das wollen wir am Beispiel von Natrium genauer unter die Lupe nehmen:
Natrium befindet sich in der ersten Hauptgruppe und hat damit ein Elektron in der äußersten Schale. Durch die Abgabe dieses Elektrons entsteht ein Natrium-Kation und die Edelgaskonfiguration wird erreicht. Ob ein Atom eher Elektronen aufnimmt oder abgibt, hängt von der Lage des Elementes im Periodensystem beziehungsweise von seiner Elektronegativität ab: Je niedriger die jeweilige Elektronegativität ist, desto eher geben Atome ihre Elektronen ab.
Kationen
Kationen entstehen durch die Abgabe von Elektronen. Metalle sind vergleichsweise elektropositiv und bilden Kationen, die aus einem einzelnen Atom bestehen. Hier sind beispielhaft einige Gleichungen für die Bildung von einigen Metallionen gezeigt:
Li → Li+ + e– (Lithium ist in der ersten Hauptgruppe. Es gibt ein Elektron ab und erreicht die Konfiguration des Edelgases Helium.)
Ca → Ca2+ + 2 e– (Calcium ist in der zweiten Hauptgruppe. Es gibt zwei Elektronen ab und erreicht die Konfiguration des Edelgases Argon.)
Al → Al3+ + 3 e– (Aluminium in der dritten Hauptgruppe. Es gibt drei Elektronen ab und erreicht die Konfiguration des Edelgases Neon.)
Anionen
Umgekehrt entstehen Anionen durch die Aufnahme von Elektronen. In salzartigen Verbindungen treten zum Beispiel die Elemente der sechsten und siebten Hauptgruppe als Anionen auf. Diese Elemente sind vergleichsweise elektronegativ. Entsprechende Gleichungen für die Bildung zeigen wir dir hier:
Br + e– → Br– (Brom ist in der siebten Hauptgruppe. Es nimmt ein Elektron auf und erreicht so die Konfiguration des Edelgases Krypton.)
S + 2 e– → S2- (Schwefel ist in der sechsten Hauptgruppe. Es nimmt zwei Elektronen auf und erreicht so die Konfiguration des Edelgases Argon.)
Ionen Eigenschaften
Als geladene Atome oder Moleküle haben Ionen bestimmte Eigenschaften, die sie von ungeladenen Teilchen unterscheiden. Beispielsweise können sie in einem Stromkreis als Ladungsträger fungieren und sind die Bausteine, aus denen Salze bestehen.
Ladungstransport
Der Begriff „Ion“ leitet sich vom altgriechischen Wort für „gehen“ ab. Es beschreibt damit das Verhalten Ionen, in einem elektrischen Feld von einer Elektrode zur anderen zu wandern. Damit diese „Wanderung“ möglich ist, müssen die Ionen sich jedoch frei bewegen können. Materialien, bei denen dies der Fall ist, werden als Elektrolyte bezeichnet und sind leitfähig. Ein bekannter Elektrolyt ist die Kochsalzlösung. Während reines Wasser keinen Strom leitet, ist eine Kochsalzlösung leitfähig.
Bedeutung bei Salzen
Ionen sind außerdem die Bausteine, aus denen Salzen auf atomarer Ebene aufgebaut sind. In Salzen liegen Anionen und Kationen nebeneinander vor und sind durch ionische Bindungen miteinander verknüpft. Was es mit den verschiedenen Bindungsarten in der Chemie genau auf sich hat, zeigen wir die in einem anderen Video .
Ionen Vorkommen
Ionen spielen eine wichtige Rolle bei galvanischen Zellen und sind in deinem Alltag notwendig, um dein Handy mit elektrischem Strom zu versorgen. Viele mobile elektronische Geräte werden mit wiederaufladbaren Batterien betrieben. Auch beim Umgang mit Säuren begegnet dir ein ganz bestimmtes Ion: das Oxonium-Ion.
Lithium-Ionen-Akkumulator
Der Lithium-Ionen-Akkumulator (kurz: Lithium-Ionen-Akku) ist eine wiederaufladbare Batterie. Wie der Name schon sagt, sind die beweglichen Ladungsträger dabei Lithiumkationen. Diese wandern in einem Elektrolyten beim Laden bzw. Entladen zu den einem der beiden elektrischen Pole. Beim Laden bewegen sich die Lithiumionen hin zum negativen Pol (Kupferelektrode) und beim Entladen hin zum positiven Pol (Aluminiumelektrode).
Oxonium-Ion
Das Oxonium-Ion (andere Bezeichnung: Hydronium-Ion) ist ein Kation mit der Formel H3O+. Es spielt eine große Bedeutung bei Säuren . Dieses Kation ist dafür verantwortlich, dass wässrige Lösungen sauer sein können. In der Chemie wird die Summenformel des Oxonium-Ions oftmals einfach mit H+ abgekürzt.
