Ionenbindung - Chemie
Ionenbindung - Chemie
Ionenbindung - Chemie
Einleitung
Die Ionenbindung ist eine wichtige Art der chemischen Bindung. Sie entsteht durch die elektrische Anziehung zwischen positiv geladenen Kationen und negativ geladenen Anionen. Stoffe mit überwiegend ionischer Bindung heißen meist Salze.
Ein bekanntes Beispiel ist Natriumchlorid: Kochsalz. Seine Teilchen bilden keinen einzelnen NaCl-Molekülverband, sondern ein regelmäßiges, räumliches Ionengitter.
Die würfelförmige Gestalt des Halitkristalls hängt mit seiner regelmäßigen inneren Struktur zusammen.
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du erklären, wie Ionen entstehen, wie sich ein Ionengitter bildet und warum Salze typische Eigenschaften besitzen. Du kannst außerdem einfache Salzformeln aus Ionenladungen ableiten und Modelle kritisch verwenden.
Grundlagen
Atome, Elektronen und Ionen
Ein neutrales Atom besitzt gleich viele positiv geladene Protonen wie negativ geladene Elektronen. Gibt ein Atom Elektronen ab oder nimmt es Elektronen auf, entsteht ein geladenes Teilchen: ein Ion.
- Kation: positiv geladenes Ion nach einer Elektronenabgabe
- Anion: negativ geladenes Ion nach einer Elektronenaufnahme
- Valenzelektron: Elektron in der äußersten besetzten Schale
Im schulischen Schalenmodell wird die Bildung vieler Hauptgruppenionen mit einer voll besetzten Außenschale erklärt. Dieses Modell nennt man häufig Oktettregel. Es ist nützlich, aber eine Vereinfachung.
Beispiel Natrium und Chlor
Ein Natriumatom besitzt ein Außenelektron. Im Modell gibt es dieses Elektron ab:
Ein Chloratom nimmt das Elektron auf:
Dadurch entstehen ein Natriumion und ein Chloridion. Ihre entgegengesetzten Ladungen ziehen sich an.
Die Abbildung zeigt drei Schritte: Elektronenübertragung, Anziehung der entstandenen Ionen und Aufbau eines Kristalls.
Die elektrostatische Anziehung
Zwischen entgegengesetzten Ladungen wirkt eine anziehende Kraft. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Vereinfacht beschreibt das Coulombsche Gesetz die Stärke der Wechselwirkung:
Dabei stehen und für die Ladungen und für ihren Abstand. Größere Ionenladungen verstärken die Anziehung. Ein größerer Abstand schwächt sie.
Aufbau von Salzen
Das Ionengitter
In einem festen Salz ordnen sich Kationen und Anionen so an, dass Anziehung überwiegt und Abstoßung möglichst klein bleibt. Die Ionenbindung wirkt nicht nur zwischen zwei Teilchen, sondern in viele Raumrichtungen. Deshalb entsteht ein Ionengitter.
Im Natriumchloridgitter ist jedes Natriumion von sechs Chloridionen umgeben. Ebenso besitzt jedes Chloridion sechs Natriumionen als nächste Nachbarn. Die kleinste Verhältnisformel lautet trotzdem NaCl, weil gleich viele positive und negative Ladungen benötigt werden.
Verhältnisformeln aufstellen
Eine Salzformel gibt das kleinste ganzzahlige Zahlenverhältnis der Ionen an. Die Gesamtladung muss null sein.
Prüfe immer, ob sich alle positiven und negativen Ladungen ausgleichen. Die tiefgestellten Zahlen geben keine Ladungen an, sondern das Zahlenverhältnis der Ionen.
Benennung einfacher Salze
Bei einfachen binären Salzen wird zuerst das Kation genannt. Danach folgt der Name des Anions. Einatomige Anionen erhalten oft die Endung -id: Natriumchlorid, Magnesiumoxid oder Calciumsulfid. Metalle mit mehreren möglichen Ionenladungen werden häufig durch eine römische Oxidationszahl unterschieden, zum Beispiel Eisen(II)-chlorid und Eisen(III)-chlorid.
Eigenschaften von Ionenverbindungen
Hohe Schmelztemperaturen
Viele Ionenkristalle besitzen hohe Schmelztemperaturen. Zum Trennen der Ionen aus dem Gitter muss die starke elektrostatische Anziehung an vielen Stellen überwunden werden. Wie hoch die Schmelztemperatur ist, hängt unter anderem von Ionenladung, Ionenabstand und Gitterstruktur ab.
Härte und Sprödigkeit
Ionenkristalle sind oft hart, aber spröde. Werden Gitterebenen verschoben, können gleich geladene Ionen nebeneinander geraten. Sie stoßen sich ab, sodass der Kristall bricht.
Elektrische Leitfähigkeit
Im festen Kristall sitzen die Ionen an festen Plätzen. Sie können Ladung nicht frei durch den Stoff transportieren. Deshalb leitet festes Kochsalz elektrischen Strom nicht.
In einer Salzschmelze oder in einer wässrigen Salzlösung sind Ionen beweglich. Dann kann elektrische Ladung transportiert werden. Nicht jede Salzlösung leitet gleich stark; Konzentration und Ionensorte spielen eine Rolle.
Löslichkeit in Wasser
Viele Salze lösen sich in Wasser, aber keineswegs alle. Wassermoleküle können Ionen aus dem Gitter herauslösen und umgeben. Ob dies gelingt, hängt vom Verhältnis zwischen Gitterenergie und der Wechselwirkung der Ionen mit Wasser ab. Natriumchlorid ist gut löslich, Silberchlorid dagegen nur sehr schwer.
Anwendungen und Vertiefung
Salze begegnen Dir als Speisesalz, Düngemittel, Baustoff, Arzneistoff oder Elektrolyt. Natriumchlorid dient außerdem als wichtiger Rohstoff der chemischen Industrie.
Bei der Elektrolyse einer Salzschmelze bewegen sich Kationen zur Kathode und Anionen zur Anode. So können Stoffe aus Ionenverbindungen gewonnen werden. Dieses Verfahren gehört zur Elektrochemie.
Die dargestellte Downs-Zelle dient industriell zur Elektrolyse von geschmolzenem Natriumchlorid. Solche Prozesse gehören nur unter fachkundige Aufsicht in ein Labor oder eine technische Anlage.
Modellgrenzen
Die Vorstellung einer vollständig übertragenen Elektronenladung ist ein hilfreiches Schulmodell. Reale chemische Bindungen können sowohl ionische als auch kovalente Anteile besitzen. Die Begriffe Ionenbindung und Atombindung beschreiben daher Grenzfälle und vorherrschende Bindungsanteile.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Worauf beruht die Ionenbindung hauptsächlich? (Auf der Anziehung entgegengesetzt geladener Ionen) (!Auf dem Teilen beweglicher Atomkerne) (!Auf der Anziehung gleich geladener Ionen) (!Auf dem Austausch von Neutronen)
Wie entsteht ein Kation? (Durch die Abgabe eines oder mehrerer Elektronen) (!Durch die Aufnahme eines oder mehrerer Elektronen) (!Durch die Aufnahme von Protonen aus dem Kern) (!Durch die Abgabe aller Neutronen)
Welche Ladung besitzt ein Chloridion? (Eine einfach negative Ladung) (!Eine einfach positive Ladung) (!Eine zweifach negative Ladung) (!Keine elektrische Ladung)
Warum leitet festes Natriumchlorid keinen elektrischen Strom? (Weil seine Ionen im Gitter nicht frei beweglich sind) (!Weil es keine geladenen Teilchen enthält) (!Weil Chloridionen ungeladen sind) (!Weil Natriumchlorid immer gasförmig ist)
Wann kann ein Salz elektrischen Strom leiten? (Wenn seine Ionen in Schmelze oder Lösung beweglich sind) (!Nur wenn es als trockener Kristall vorliegt) (!Nur wenn alle Ionen ihre Ladung verlieren) (!Nur wenn es aus Molekülen ohne Ladung besteht)
Was beschreibt die Formel NaCl? (Das kleinste Zahlenverhältnis von Natriumionen und Chloridionen) (!Ein einzelnes Molekül mit einer Doppelbindung) (!Zwei Natriumatome und ein Chloratom) (!Ein ungeladenes Chlorion ohne Natriumion)
Welche Formel gehört zu Calciumionen und Chloridionen? (CaCl2) (!Ca2Cl) (!CaCl) (!Ca2Cl2)
Warum sind viele Ionenkristalle spröde? (Weil verschobene Gitterebenen gleich geladene Ionen zusammenbringen) (!Weil alle Ionen im Feststoff frei fließen) (!Weil ihre Atomkerne keine Protonen besitzen) (!Weil sie ausschließlich aus weichen Molekülen bestehen)
Welche Formel besitzt Magnesiumoxid? (MgO) (!Mg2O) (!MgO2) (!Mg2O2)
Welche Aussage zur Wasserlöslichkeit von Salzen ist richtig? (Salze unterscheiden sich stark in ihrer Wasserlöslichkeit) (!Alle Salze sind vollständig wasserlöslich) (!Kein Salz kann sich in Wasser lösen) (!Nur ungeladene Salze lösen sich in Wasser)
Memory
| Kation | positiv geladenes Teilchen |
| Anion | negativ geladenes Teilchen |
| Ionengitter | regelmäßige räumliche Ordnung |
| Gitterenergie | Maß für die Stabilität eines Kristallverbands |
| Elektrolyt | Medium mit beweglichen Ladungsträgern |
| Oktettregel | Modell einer voll besetzten Außenschale |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Ionenbindung |
|---|---|
| Natriumion | Elektronenabgabe |
| Chloridion | Elektronenaufnahme |
| Ionenkristall | regelmäßiges Gitter |
| Salzschmelze | elektrisch leitfähig |
| Salzfeststoff | nicht elektrisch leitfähig |
...
Kreuzworträtsel
| Kation | Wie heißt ein positiv geladenes Ion? |
| Anion | Wie heißt ein negativ geladenes Ion? |
| Elektron | Welches Teilchen wird bei der Ionenbildung übertragen? |
| Ionengitter | Wie heißt die regelmäßige Ordnung der Ionen im Feststoff? |
| Kristall | Wie nennt man einen Festkörper mit regelmäßigem innerem Aufbau? |
| Elektrolyt | Wie heißt ein Medium mit beweglichen Ionen? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Begriffskarte: Gestalte eine Lernkarte zu Kation, Anion, Ionengitter und Ionenbindung.
- Teilchenbild: Zeichne die Bildung von Natriumion und Chloridion im Schalenmodell.
- Alltagsbezug: Fotografiere oder skizziere drei salzhaltige Produkte und notiere ihre Verwendung.
- Erklärtext: Erkläre in höchstens 100 Wörtern, warum Kochsalz kein einzelnes NaCl-Molekül bildet.
Standard
- Leitfähigkeitsversuch: Plane einen sicheren Vergleich von destilliertem Wasser, Salzlösung und Zuckerlösung mit einer ungefährlichen Kleinspannung.
- Gittermodell: Baue ein räumliches Ionengitter aus zwei Sorten Modellkugeln und erkläre die Anordnung.
- Salzformeln: Entwickle fünf Aufgaben zu Ionenladungen und Verhältnisformeln samt Lösungen.
- Videoanalyse: Wähle ein eingebettetes Lernvideo aus und prüfe, welche Aussagen durch Teilchenmodelle erklärt werden.
Schwer
- Coulomb-Modell: Untersuche mit Beispielwerten, wie Ladung und Abstand die elektrostatische Kraft verändern.
- Forschungsplan: Entwirf eine Untersuchung zum Zusammenhang zwischen Salzkonzentration und Leitfähigkeit.
- Modellkritik: Vergleiche das einfache Elektronenübertragungsmodell mit der Aussage, dass reale Bindungen Mischanteile besitzen.
- Erklärmedium: Produziere ein kurzes Lernvideo oder eine digitale Animation zur Entstehung und zu den Eigenschaften eines Ionenkristalls.
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Lernkontrolle
- Unbekannter Stoff: Ein Feststoff ist spröde, schmilzt erst bei hoher Temperatur und leitet nur als Schmelze. Begründe, warum ein Ionenkristall vermutet werden kann.
- Formelableitung: Leite aus Aluminiumionen und Oxidionen die Verhältnisformel ab und erkläre jeden Schritt über den Ladungsausgleich.
- Fehleranalyse: Eine Person behauptet, festes Kochsalz müsse wegen seiner geladenen Ionen gut leiten. Widerlege die Aussage mit dem Teilchenmodell.
- Eigenschaftsvergleich: Vergleiche einen Ionenkristall mit einem molekularen Stoff und ordne Unterschiede im Schmelzverhalten den Bindungsmodellen zu.
- Transfer auf Magnesiumchlorid: Erkläre die Bildung, die Formel und zwei erwartbare Stoffeigenschaften von Magnesiumchlorid.
- Modellbewertung: Beurteile, welche Aspekte das Schalenmodell gut erklärt und welche Aussagen über reale Bindungen es nur vereinfacht darstellt.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du die Entstehung von Kationen und Anionen fachsprachlich erklären, ein Ionengitter beschreiben, einfache Verhältnisformeln sicher ableiten und Stoffeigenschaften mit der Beweglichkeit sowie der Anziehung von Ionen begründen können. Wichtig ist außerdem, Versuche zur Leitfähigkeit sicher zu planen, Ergebnisse auszuwerten und die Grenzen einfacher Bindungsmodelle zu benennen.
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