Chemie Grundlagen

Kation

Was ist ein Kation und wie hängt dieses mit Salzen zusammen? Welche Arten von Kationen gibt es? Das erklären wir dir in dem folgenden Beitrag.

Um das Thema noch schneller zu verstehen, kannst du dir gerne unser Video dazu anschauen! %Videoverweis

Inhaltsübersicht

Kation einfach erklärt

Das Kation (auch positiv geladenes Ion ) ist ein positiv geladenes Teilchen. Ein Kation entsteht zum einen, wenn ein Atom oder ein Molekül Elektronen abgibt. Zum anderen kann ein Kation auch entstehen, wenn ein Atom oder Molekül Protonen aufnimmt.

Kation Definition

Das Kation ist ein positiv geladenes Teilchen, welches bei Elektronenabgabe oder Protonenaufnahme eines Atoms entsteht.

Legst du eine Spannung an eine Lösung, in der Kationen enthalten sind, wandern diese zur Kathode, also dem Minuspol. Daher stammt auch der Name des Kations.

Kation Anion

Salze sind immer aus Kationen und Anionen aufgebaut. Hier kannst du dir unser Video zu Anionen %Videolink zu Anionen anschauen. Das Anion ist das Gegenstück zum Kation und ein negativ geladenes Ion. Im Salzgitter oder auch Ionengitter sind Kationen und Anionen in einem bestimmten geometrischen Muster angeordnet (Kristallgitter). Zwischen Kation und Anion herrschen ionische Wechselwirkungen.

Metallionen

Schauen wir und als erstes die Metallionen an. Sie entstehen dadurch, dass Metalle Elektronen abgeben, also oxidiert werden. Es können nur Elemente der 1. bis 4. Hauptgruppe Elektronen abgeben.

Merke Bildung von Metallionen

M → n e + Mn+

Das Metall M gibt n Elektronen e ab und reagiert zu einem n-wertigen Metallion Mn+.

Die Triebkraft für die Oxidation ist das Erreichen einer stabileren Elektronenkonfiguration . Betrachtest du die Hauptgruppenelemente, besteht die stabilste Elektronenkonfiguration aus acht Valenzelektronen (Erfüllung der Oktettregel ). Auch bei einer voll besetzten s-Schale, also zwei Valenzelektronen, hast du in manchen Fällen eine stabile Elektronenkonfiguration.

Bei den Nebengruppenelementen ist die stabilste Elektronenkonfiguration meistens bei einer halbvollen oder vollen d-Schale gegeben.

Ladung von Metallionen

Schauen wir uns einmal zwei Beispiele zu Ladungen und Wertigkeiten von Kationen an!

Ca → 2e + Ca2+

Calcium ist in der 2. Hauptgruppe, muss also zwei Elektronen abgeben, um die Oktettregel zu erfüllen. Es entsteht das zweiwertige Calcium-Kation, welches somit zweifach positiv geladen ist.

Fe → 3e + Fe3+

Eisen hat acht Valenzelektronen, zwei in seiner s-Schale und sechs in seiner d-Schale. Dein Eisen gibt jetzt drei Elektronen ab, zwei aus seiner s-Schale und eins aus seiner d-Schale. Nun hast du mit dem dreiwertigen Eisen-Kation eine halbvolle d-Schale mit fünf Elektronen. Das Eisen-Kation ist dreifach positiv geladen.

Du hast hier noch einmal eine tabellarische Übersicht über alle wichtigen Metallionen der 1. bis 4. Hauptgruppe. Zudem hast du die wichtigsten Metallionen aus den Nebengruppen.

1. Hauptgruppe 2. Hauptgruppe 3. Hauptgruppe 4. Hauptgruppe Nebengruppen
H+       Fe2+/Fe3+
Li+ Be2+     Co2+, Ni2+, Zn2+
Na+ Mg2+ Al3+   Cu+/Cu2+
K+ Ca2+ Ga3+/Ga+ Ge2+ Ag+
Rb+ Sr2+ In3+/In+ Sn4+/Sn2+ Au3+
Cs+ Ba2+ Tl3+/Tl+ Pb4+/Pb2+ Hg+, Hg2+

Das Wasserstoffion ist ein Sonderfall, bei dem es sich nicht um ein klassisches Metallion handelt, ist aber zur Vervollständigung der Tabelle auch aufgeführt.

Molekulare Kationen

Du erhälst molekulare Kationen in den meisten Fällen durch Protonenaufnahme. Die bekanntesten molekularen Kationen kennst du aus der Autoprotolyse des Wassers. Es handelt sich um das Oxonium-Ion H3O+

2 H2O ⇌ H3O+ + OH

Bei der Säure-Base-Reaktion mit Ammoniak wird ebenfalls ein Proton aufgenommen, um das Ammonium-Ion NH4+ zu bilden. Du hast beim Ammoniak hat ein freies Elektronenpaar, mit dem du Protonen aufnehmen kannst.

NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH

In der organischen Chemie spielen vor allem Stickstoffverbindungen mit einem freien Elektronenpaar als Basen eine große Rolle. Mit Säuren bilden solche Stickstoffverbindungen Ammoniumsalze. Pyridin sowie Triethylamin sind sehr bekannte Vertreter und bilden beispielsweise mit Chlorwasserstoffgas das Pyridin-Hydrochlorid beziehungsweise das Triethylammoniumchlorid. Schauen wir uns das am besten mithilfe von Strukturformeln an.

Pyridin, Kation, Triethylamin, Chlorwasserstoffgas, Ammonium, Salz, Base
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Reaktion von Pyridin und Triethylamin mit Chlorwasserstoffgas

 

Hast du eine Reaktion, in der viel Chlorwasserstoffgas entsteht, kannst du also dieses mithilfe von Pyridin sowie Triethylamin abfangen.

Komplexe Kationen

Du hast in einer wässrigen Lösung keine reinen Metallionen vorliegen sondern komplexe Kationen. Dabei lagern sich Wassermoleküle an dein Metallion an. Die Wassermoleküle werden als Liganden bezeichnet und dein Metallion als Zentralatom. Dein Metallion reagiert also mit den Wassermolekülen folgendermaßen:

Mn+ + m H2O ⇌ [M(H2O)m]n+

Diese Art von komplexen Kationen werden auch Aquakomplexe genannt. Aluminium bildet beispielsweise das Hexaaquaaluminium(III)-Kation [Al(H2O)6]3+ und Eisen das Hexaaquaeisen(III)-Kation [Fe(H2O)6]3+. Darüber hinaus sind auch weitere Liganden wie zum Beispiel NH3 oder CO möglich.

 

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