Ionen - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Einleitung

Ionen begegnen Dir überall: in Kochsalz, Mineralwasser, Batterien, Pflanzen und Deinem Körper. Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Atom oder Molekül. Die Ladung entsteht, wenn Elektronen abgegeben oder aufgenommen werden. Positiv geladene Ionen heißen Kationen, negativ geladene Ionen Anionen.

Dieser aiMOOC erklärt die Bildung von Ionen, die Ionenbindung, den Aufbau von Salzen, die elektrische Leitfähigkeit von Salzlösungen und die Rolle von Ionen bei der Elektrolyse. Der Text ist auf den Chemieunterricht in der Schule ausgerichtet.

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Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du:

1. Ionen von neutralen Atomen unterscheiden.
2. Kationen und Anionen erklären.
3. einfache Ionen aus dem Periodensystem ableiten.
4. Verhältnisformeln von Salzen über den Ladungsausgleich bilden.
5. Eigenschaften von Salzen mit dem Ionengitter begründen.
6. die Wanderung von Ionen bei einer Elektrolyse beschreiben.

Was ist ein Ion?

Ein neutrales Atom enthält gleich viele positiv geladene Protonen wie negativ geladene Elektronen. Die Ladungen gleichen sich aus. Ändert sich die Zahl der Elektronen, entsteht ein Ion. Die Zahl der Protonen im Kern bleibt bei gewöhnlichen chemischen Reaktionen unverändert.

Teilchen	Protonen und Elektronen	Gesamtladung
neutrales Atom	gleich viele Protonen und Elektronen	0
Kation	weniger Elektronen als Protonen	positiv
Anion	mehr Elektronen als Protonen	negativ

Merksatz: Kationen entstehen meist durch Elektronenabgabe. Anionen entstehen meist durch Elektronenaufnahme.

Atome und Ionen im Vergleich

Ein Natriumatom besitzt 11 Protonen und 11 Elektronen. Gibt es ein Elektron ab, bleiben 11 Protonen, aber nur 10 Elektronen. Das entstandene Natriumion ist einfach positiv geladen.

$\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{\to }\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}$

Ein Chloratom besitzt 17 Protonen und 17 Elektronen. Nimmt es ein Elektron auf, besitzt es 18 Elektronen. Das Chloridion ist einfach negativ geladen.

$\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}\mathrm{\to }\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}$

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Bildung von Ionen

Viele Hauptgruppenelemente bilden Ionen, deren Außenschale im einfachen Schalenmodell voll besetzt ist. Diese stabile Elektronenanordnung wird häufig als Edelgaskonfiguration bezeichnet. Das Modell ist für viele schulische Beispiele nützlich, erklärt aber nicht jede Verbindung vollständig.

Typische Ionenladungen

Bereich im Periodensystem	typisches Verhalten	häufige Ladung	Beispiele
Alkalimetalle	geben ein Elektron ab	+1	Na+, K+
Erdalkalimetalle	geben zwei Elektronen ab	+2	Mg2+, Ca2+
13. Gruppe	geben oft drei Elektronen ab	+3	Al3+
16. Gruppe	nehmen oft zwei Elektronen auf	−2	O2−, S2−
Halogene	nehmen ein Elektron auf	−1	F−, Cl−

Bei Übergangsmetallen sind verschiedene Ladungen möglich. Eisen kann zum Beispiel Fe²⁺ oder Fe³⁺ bilden. Die Ladung muss dann aus dem Namen, der Formel oder dem Reaktionszusammenhang hervorgehen.

Einatomige und mehratomige Ionen

Einatomige Ionen bestehen aus einem Atom, etwa Na⁺, Mg²⁺ oder Cl⁻. Mehratomige Ionen bestehen aus mehreren gebundenen Atomen und tragen insgesamt eine Ladung.

Ion	Name	Ladung
NH4+	Ammoniumion	+1
OH−	Hydroxidion	−1
NO3−	Nitration	−1
CO32−	Carbonation	−2
SO42−	Sulfation	−2

Ionenbindung und Ionengitter

Gegensätzlich geladene Ionen ziehen sich elektrostatisch an. Diese Anziehung wird im Schulmodell als Ionenbindung bezeichnet. In einem festen Salz wirken die Kräfte nicht nur zwischen zwei Teilchen, sondern in alle Raumrichtungen. Deshalb entsteht ein regelmäßiges, dreidimensionales Ionengitter.

Beim Natriumchlorid wechseln sich Na⁺- und Cl⁻-Ionen ab. Man spricht nicht von einzelnen NaCl-Molekülen, sondern von einer großen Gitterstruktur. Die Formel NaCl gibt das kleinste Zahlenverhältnis der Ionen an.

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Vom Elektronenübergang zum Salz

Für die Bildung von Natriumchlorid kann der Elektronenübergang vereinfacht in Teilschritten gezeigt werden:

$\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{\to }\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}$

$\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}\mathrm{\to }\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}$

Danach ziehen sich die entstandenen Ionen an:

$\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}\mathrm{\to }\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}$

Die vollständige Reaktion mit elementarem Chlor lautet:

$\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}$

Das Schulmodell beschreibt den Elektronenübergang anschaulich. In realen Stoffen sind Bindungen nicht immer vollständig ionisch; ionische und kovalente Anteile können ineinander übergehen.

Verhältnisformeln von Salzen

Ein Salz ist insgesamt elektrisch neutral. Deshalb müssen sich alle positiven und negativen Ladungen ausgleichen. Die kleinsten passenden ganzen Zahlen ergeben die Verhältnisformel.

Kation	Anion	Ladungsausgleich	Verhältnisformel
Na+	Cl−	(+1) + (−1) = 0	NaCl
Mg2+	Cl−	(+2) + 2 · (−1) = 0	MgCl2
Ca2+	F−	(+2) + 2 · (−1) = 0	CaF2
Al3+	O2−	2 · (+3) + 3 · (−2) = 0	Al2O3
NH4+	SO42−	2 · (+1) + (−2) = 0	(NH4)2SO4

Vorgehen beim Aufstellen einer Formel

1. Schreibe Kation und Anion mit ihren Ladungen auf.
2. Suche das kleinste gemeinsame Vielfache der Ladungsbeträge.
3. Bestimme, wie viele Ionen jeder Sorte benötigt werden.
4. Schreibe die Indizes; die Zahl 1 wird nicht notiert.
5. Prüfe, ob die Gesamtladung 0 ist.

Beispiel Aluminiumoxid: Al³⁺ und O²⁻ benötigen den Ladungsausgleich $2\cdot (+3)+3\cdot (-2)=0$. Die Formel lautet Al₂O₃.

Eigenschaften von Salzen

Die Eigenschaften vieler Salze lassen sich durch das Ionengitter erklären.

Beobachtung	Erklärung mit dem Teilchenmodell
hohe Schmelztemperatur	Die starke Anziehung im Gitter muss überwunden werden.
kristalline Form	Die Ionen sind regelmäßig räumlich angeordnet.
Sprödigkeit	Bei einer Verschiebung können gleich geladene Ionen nebeneinander geraten und sich abstoßen.
keine Leitfähigkeit im festen Zustand	Die Ionen sind an feste Gitterplätze gebunden.
Leitfähigkeit als Schmelze oder in Lösung	Die Ionen sind beweglich und transportieren Ladung.

Warum Salzkristalle spröde sind

Wird ein Ionengitter stark belastet, können sich Gitterebenen verschieben. Dann liegen plötzlich Kationen neben Kationen und Anionen neben Anionen. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Der Kristall bricht, statt sich wie viele Metalle dauerhaft zu verformen.

Ionen in Wasser

Viele Salze lösen sich in Wasser. Die polaren Wassermoleküle richten sich an den Ionen aus und bilden eine Hydrathülle. Der Sauerstoffbereich des Wassermoleküls ist leicht negativ und zeigt zu Kationen. Die Wasserstoffbereiche sind leicht positiv und zeigen zu Anionen.

Beim Lösen von Natriumchlorid wird das Gitter in hydratisierte Ionen getrennt:

$\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{(}\mathrm{s}\mathrm{)}}\mathrm{\to }\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{(}\mathrm{a}\mathrm{q}\mathrm{)}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{(}\mathrm{a}\mathrm{q}\mathrm{)}}^{\mathrm{-}}$

Das Symbol (s) steht für fest, (aq) für in Wasser gelöst. Nicht jedes Salz ist gut löslich. Ob sich ein Salz löst, hängt vom Zusammenspiel zwischen Gitterkräften und Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittel ab.

Elektrische Leitfähigkeit

Eine Salzlösung leitet elektrischen Strom, weil sich positive und negative Ionen in entgegengesetzte Richtungen bewegen können. Reines festes Natriumchlorid leitet nicht, obwohl es geladene Teilchen enthält: Die Ionen sind im Gitter nicht frei beweglich.

Merksatz: Ladung allein genügt nicht. Für einen Stromfluss müssen die Ladungsträger beweglich sein.

Nachweis von Ionen

Ionen können mit verschiedenen Methoden nachgewiesen werden. Im Unterricht werden häufig Fällungsreaktionen, Flammenfärbungen, Indikatoren und Leitfähigkeitsmessungen verwendet.

Flammenfärbung

Bestimmte Metallionen färben eine Flamme charakteristisch. Energie regt Elektronen an. Beim Zurückfallen wird Licht bestimmter Wellenlängen ausgesendet.

Metallion	typische Flammenfarbe
Natriumion	intensiv gelb
Kaliumion	violett
Calciumion	orange- bis ziegelrot
Kupferion	blaugrün

Eine Flammenprobe darf nur unter fachkundiger Aufsicht durchgeführt werden. Mischungen und Verunreinigungen können die Beobachtung verfälschen.

Fällungsreaktionen

Bei einer Fällungsreaktion entstehen aus gelösten Ionen schwer lösliche Feststoffe. So können Chloridionen mit Silberionen einen weißen Niederschlag aus Silberchlorid bilden:

$\mathrm{A}{\mathrm{g}}_{\mathrm{(}\mathrm{a}\mathrm{q}\mathrm{)}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{(}\mathrm{a}\mathrm{q}\mathrm{)}}^{\mathrm{-}}\mathrm{\to }\mathrm{A}\mathrm{g}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{(}\mathrm{s}\mathrm{)}}$

Diese verkürzte Ionengleichung zeigt nur die Teilchen, die sich tatsächlich verändern.

Ionen bei der Elektrolyse

Eine Elektrolyse ist eine durch elektrischen Strom erzwungene Redoxreaktion. In der Elektrolysezelle wandern Kationen zur negativ geladenen Kathode. Dort nehmen sie Elektronen auf; es findet eine Reduktion statt. Anionen wandern zur positiv geladenen Anode. Dort geben sie Elektronen ab; es findet eine Oxidation statt.

Elektrode bei der Elektrolyse	angezogene Ionen	Elektronenvorgang	Teilreaktion
Kathode, Minuspol	Kationen	Elektronenaufnahme	Reduktion
Anode, Pluspol	Anionen	Elektronenabgabe	Oxidation

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Eselsbrücke: An der Kathode findet immer die Reduktion statt, an der Anode immer die Oxidation. Die Vorzeichen der Elektroden hängen jedoch davon ab, ob eine Elektrolysezelle oder ein galvanisches Element betrachtet wird.

Ionen im Alltag und im Körper

Ionen sind Bestandteile von Mineralwasser, Düngemitteln, Baustoffen, Batterien und Reinigungsmitteln. Im Körper wirken unter anderem Na⁺, K⁺, Ca²⁺ und Cl⁻ bei Nervenleitung, Muskelarbeit und Wasserhaushalt mit. In Batterien und Akkumulatoren bewegen sich Ionen im Elektrolyten, während Elektronen durch den äußeren Stromkreis fließen.

Kochsalz ist nur eines von vielen Salzen. Auch Kalk, Gips, viele Minerale und zahlreiche Düngemittel bestehen aus Ionen. Ihre Eigenschaften hängen von Ionensorte, Ladung, Gitteraufbau und Umgebung ab.

Zusammenfassung

1. Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Moleküle.
2. Kationen sind positiv, Anionen negativ geladen.
3. Elektronenabgabe führt meist zum Kation, Elektronenaufnahme zum Anion.
4. Salze bestehen aus Kationen und Anionen in einem Ionengitter.
5. Verhältnisformeln müssen insgesamt ladungsneutral sein.
6. Feste Salze leiten nicht; Salzschmelzen und viele Salzlösungen leiten.
7. Bei der Elektrolyse wandern Kationen zur Kathode und Anionen zur Anode.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist ein Ion? (Ein elektrisch geladenes Atom oder Molekül) (!Ein ungeladenes Elektronenpaar) (!Ein Atomkern ohne Protonen) (!Ein Gemisch aus zwei Metallen)

Wie entsteht ein Kation meist? (Durch Abgabe von Elektronen) (!Durch Aufnahme von Elektronen) (!Durch Abgabe von Protonen im Atomkern) (!Durch Aufnahme von Neutronen)

Welche Ladung besitzt ein Chloridion? (Eine einfach negative Ladung) (!Eine einfach positive Ladung) (!Eine zweifach negative Ladung) (!Keine Ladung)

Welche Formel hat Magnesiumchlorid? (MgCl2) (!Mg2Cl) (!MgCl) (!Mg2Cl2)

Warum leitet festes Natriumchlorid keinen elektrischen Strom? (Die Ionen sind im Gitter nicht frei beweglich) (!Es enthält keine geladenen Teilchen) (!Es besteht nur aus Molekülen) (!Seine Elektronen sind vollständig verschwunden)

Wann kann ein Salz elektrischen Strom leiten? (Wenn seine Ionen beweglich sind) (!Nur wenn es tiefgekühlt ist) (!Nur als trockener Kristall) (!Wenn alle Ionen neutral werden)

Was hält ein Ionengitter zusammen? (Die Anziehung entgegengesetzt geladener Ionen) (!Die Abstoßung gleich geladener Ionen) (!Ausschließlich die Schwerkraft) (!Die Bewegung freier Neutronen)

Wohin wandern Kationen bei einer Elektrolyse? (Zur Kathode) (!Zur Anode) (!Zum Salzrand) (!In den äußeren Elektronendraht)

Welche Bedingung erfüllt die Verhältnisformel eines Salzes? (Die Summe aller Ionenladungen ist null) (!Sie enthält immer gleich viele Kationen und Anionen) (!Sie beginnt immer mit einem Nichtmetall) (!Sie besitzt immer genau zwei Atome)

Welche Flammenfarbe ist typisch für Natriumionen? (Gelb) (!Violett) (!Blau) (!Schwarz)

Memory

Kation	positiv geladenes Ion
Anion	negativ geladenes Ion
Oxidation	Elektronenabgabe
Reduktion	Elektronenaufnahme
Kathode	Ort der Reduktion
Anode	Ort der Oxidation
Elektrolyt	ionenleitende Flüssigkeit
Ionengitter	regelmäßige Anordnung von Ionen

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Vorgang oder Eigenschaft
Natriumatom	gibt ein Elektron ab
Chloratom	nimmt ein Elektron auf
Natriumion	ist einfach positiv geladen
Chloridion	ist einfach negativ geladen
Natriumchlorid	bildet einen elektrisch neutralen Ionenkristall

Kreuzworträtsel

Kation	Wie heißt ein positiv geladenes Ion?
Anion	Wie heißt ein negativ geladenes Ion?
Elektron	Welches Teilchen wird bei der Ionenbildung aufgenommen oder abgegeben?
Kristall	Welche regelmäßige Festkörperform bilden viele Salze?
Elektrolyt	Wie heißt eine ionenleitende Flüssigkeit?
Hydratation	Wie heißt die Anlagerung von Wassermolekülen an gelöste Ionen?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Ein elektrisch geladenes Atom oder Molekül heißt . Ein positiv geladenes Ion heißt . Ein negativ geladenes Ion heißt . Durch Elektronenabgabe entsteht meist ein . Durch Elektronenaufnahme entsteht meist ein . In einem festen Salz sind die Ionen in einem angeordnet. Die Formel eines Salzes muss insgesamt sein. Gelöste Ionen sind von einer umgeben. Bewegliche Ionen ermöglichen die elektrische . Bei der Elektrolyse findet an der Kathode die statt.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Begriffskarte Ionen: Gestalte eine Lernkarte mit Definition, Symbol und Beispiel für Kation und Anion.
2. Schalenmodell zeichnen: Zeichne die Bildung von Na⁺ und Cl⁻ aus den neutralen Atomen.
3. Ionen im Alltag: Fotografiere oder notiere fünf Produkte, auf deren Etikett Ionen oder Salze genannt werden, und ordne die Fundstellen.
4. Salz-Steckbrief: Erstelle einen kurzen Steckbrief zu Natriumchlorid, Calciumcarbonat oder Magnesiumsulfat.

Standard

1. Leitfähigkeitsversuch: Plane einen sicheren Vergleich von destilliertem Wasser, Leitungswasser und Kochsalzlösung. Formuliere Hypothese, Variablen und Auswertung. Führe den Versuch nur unter Aufsicht durch.
2. Kristallzüchtung: Dokumentiere das Wachstum eines ungefährlichen Salzkristalls mit Fotos, Messwerten und Teilchenerklärung.
3. Formeltraining: Entwickle zehn Karten mit Ionenpaaren und passenden Verhältnisformeln. Begründe jeweils den Ladungsausgleich.
4. Erklärvideo Ionen: Produziere ein zweiminütiges Erklärvideo, das Atom, Ion, Kation, Anion und Ionengitter unterscheidet.

Schwer

1. Modellkritik Ionenbindung: Vergleiche das einfache Elektronenübergangsmodell mit der Aussage, dass reale Bindungen unterschiedlich starke ionische und kovalente Anteile besitzen.
2. Elektrolyseanalyse: Erstelle für eine vorgegebene Elektrolyse ein Flussdiagramm zu Ionenwanderung, Elektronenaufnahme, Elektronenabgabe und Stoffbildung.
3. Unbekanntes Salz bestimmen: Entwirf eine Untersuchungsstrategie aus Leitfähigkeit, Löslichkeit, Flammenprobe und Fällungsreaktion. Beachte Sicherheits- und Entsorgungsregeln.
4. Ionen und Nachhaltigkeit: Untersuche die Rolle von Ionen in Akkumulatoren, Wasseraufbereitung oder Düngemitteln und bewerte Nutzen, Ressourcenverbrauch und mögliche Umweltfolgen.

Lernkontrolle

1. Sprödigkeit erklären: Erkläre mit einer beschrifteten Skizze, warum ein Ionenkristall bei Verschiebung von Gitterebenen brechen kann.
2. Leitfähigkeit übertragen: Ein Stoff leitet als Schmelze, aber nicht als Feststoff. Leite daraus eine begründete Vermutung über seinen Teilchenaufbau ab.
3. Salzformel herleiten: Entwickle aus Al³⁺ und S²⁻ die Verhältnisformel. Zeige den Ladungsausgleich und erkläre jeden Index.
4. Lösen auf Teilchenebene: Beschreibe, was beim Lösen von Natriumchlorid in Wasser geschieht, und erkläre die Ausrichtung der Wassermoleküle.
5. Elektrolyse deuten: In einer Elektrolyse entsteht an der Kathode ein Metall. Begründe, welche Ionensorte dorthin gewandert ist und welcher Elektronenvorgang stattgefunden hat.
6. Fachsprache prüfen: Beurteile die Aussage „Kochsalz besteht aus NaCl-Molekülen“ und formuliere eine fachlich genauere Alternative.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du:

1. die Begriffe Atom, Ion, Kation und Anion sicher unterscheidest.
2. Ionenladungen aus Elektronenabgabe und Elektronenaufnahme ableitest.
3. einfache Verhältnisformeln durch Ladungsausgleich aufstellst.
4. Ionengitter und Salzeigenschaften miteinander verknüpfst.
5. Leitfähigkeit mit der Beweglichkeit geladener Teilchen erklärst.
6. Ionenwanderung und Elektrodenvorgänge bei einer Elektrolyse beschreibst.
7. Modelle verwendest, ihre Grenzen aber benennen kannst.
8. Beobachtungen aus Versuchen fachsprachlich und sicherheitsbewusst auswertest.

Verknüpfte Lernbereiche

Ionen - Chemie Atombau Elektronenhülle Periodensystem Edelgaskonfiguration Ionenbindung Salze Ionengitter Elektrolyse Redoxreaktion Elektrische Leitfähigkeit