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Kationen und Anionen - Chemie

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Kationen und Anionen - Chemie




Einleitung

Kationen und Anionen - Chemie erklärt, wie aus elektrisch neutralen Atomen geladene Teilchen entstehen. Solche Teilchen heißen Ionen. Sie spielen bei Salzen, in Lösungen, bei der Elektrolyse und in vielen biologischen Vorgängen eine wichtige Rolle.

Ein Atom wird zum Ion, wenn es Elektronen abgibt oder aufnimmt. Gibt es Elektronen ab, entsteht meist ein positiv geladenes Kation. Nimmt es Elektronen auf, entsteht meist ein negativ geladenes Anion.


Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du:

  1. Ionen als geladene Teilchen beschreiben.
  2. Kationen und Anionen unterscheiden.
  3. die Bildung einfacher Ionen mit dem Schalenmodell erklären.
  4. typische Ionenladungen aus dem Periodensystem ableiten.
  5. Verhältnisformeln einfacher Salze aufstellen.
  6. die Leitfähigkeit von Salzschmelzen und Salzlösungen erklären.
  7. die Wanderung von Ionen bei einer Elektrolyse beschreiben.


Vom Atom zum Ion

Ein neutrales Atom besitzt gleich viele positiv geladene Protonen wie negativ geladene Elektronen. Deshalb ist seine Gesamtladung null.

Bei einer gewöhnlichen Ionenbildung verändert sich der Atomkern nicht. Nur die Zahl der Elektronen in der Elektronenhülle ändert sich.

Die Ladung eines Teilchens lässt sich vereinfacht so darstellen:

Q=(NProtonenNElektronen)e

Dabei ist e die Elementarladung. Hat ein Teilchen mehr Protonen als Elektronen, ist es positiv geladen. Hat es mehr Elektronen als Protonen, ist es negativ geladen.


Das Schalenmodell als Lernmodell

Im vereinfachten Schalenmodell werden Elektronen auf Schalen um den Atomkern dargestellt. Besonders wichtig sind die Elektronen auf der äußersten besetzten Schale. Sie heißen Valenzelektronen.

Viele Atome reagieren so, dass ihre äußerste Schale danach ähnlich besetzt ist wie bei einem Edelgas. Diese vereinfachte Vorstellung wird häufig als Oktettregel oder Edelgasregel bezeichnet. Sie ist für viele Hauptgruppenelemente hilfreich, gilt aber nicht ohne Ausnahme für alle Atome und Verbindungen.

Natrium besitzt im vereinfachten Schalenmodell ein einzelnes Elektron auf der Außenschale.

Chlor besitzt sieben Elektronen auf der Außenschale.


Kationen

Ein Kation ist ein positiv geladenes Ion. Es entsteht, wenn ein Atom oder eine Atomgruppe Elektronen abgibt.

Beispiel Natrium:

NaNa++e

Das neutrale Natriumatom besitzt elf Protonen und elf Elektronen. Das Natriumion besitzt weiterhin elf Protonen, aber nur noch zehn Elektronen. Deshalb trägt es die Ladung +1.

Typische einfache Kationen sind:

Kation Name Entstehung
Na+ Natriumion Abgabe eines Elektrons
Mg2+ Magnesiumion Abgabe von zwei Elektronen
Al3+ Aluminiumion Abgabe von drei Elektronen
Ca2+ Calciumion Abgabe von zwei Elektronen

Metallatome bilden häufig Kationen. Das ist eine wichtige Regel für viele Hauptgruppenelemente, aber keine ausnahmslose Aussage für jede chemische Situation.


Anionen

Ein Anion ist ein negativ geladenes Ion. Es entsteht, wenn ein Atom oder eine Atomgruppe Elektronen aufnimmt.

Beispiel Chlor:

Cl+eCl

Das neutrale Chloratom besitzt siebzehn Protonen und siebzehn Elektronen. Das Chloridion besitzt weiterhin siebzehn Protonen, aber achtzehn Elektronen. Deshalb trägt es die Ladung 1.

Typische einfache Anionen sind:

Anion Name Entstehung
Cl- Chloridion Aufnahme eines Elektrons
O2- Oxidion Aufnahme von zwei Elektronen
S2- Sulfidion Aufnahme von zwei Elektronen
N3- Nitridion Aufnahme von drei Elektronen

Nichtmetallatome bilden häufig Anionen.


Elektronenübertragung am Beispiel Natriumchlorid

Bei der Bildung von Natriumchlorid kann ein Natriumatom ein Elektron an ein Chloratom abgeben.

  1. Natrium gibt ein Elektron ab und wird zu Na+.
  2. Chlor nimmt dieses Elektron auf und wird zu Cl-.
  3. Die entgegengesetzt geladenen Ionen ziehen sich an.

Die Teilgleichungen lauten:

NaNa++e

Cl+eCl

Zusammenfassend:

Na+ClNa++Cl

Bei der tatsächlichen Reaktion kommt Chlor als zweiatomiges Molekül Cl2 vor. Die ausgeglichene Reaktionsgleichung lautet:

2Na+Cl22NaCl


Ionenbindung und Ionengitter

Zwischen positiv und negativ geladenen Ionen wirkt eine elektrostatische Anziehung. Diese Anziehung wird bei Salzen als Ionenbindung bezeichnet.

Ein Salzkristall besteht nicht aus einzelnen, abgeschlossenen NaCl-Molekülen. Stattdessen sind sehr viele Kationen und Anionen regelmäßig in einem dreidimensionalen Ionengitter angeordnet.

Im Natriumchloridgitter ist jedes Natriumion von Chloridionen und jedes Chloridion von Natriumionen umgeben.


Eigenschaften von Salzen

Der Aufbau aus Ionen erklärt viele typische Eigenschaften von Salzen:

Eigenschaft Erklärung mit dem Teilchenmodell
hohe Schmelztemperatur Zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen wirken starke Anziehungskräfte.
kristalliner Aufbau Die Ionen sind regelmäßig in einem Gitter angeordnet.
Sprödigkeit Beim Verschieben von Gitterebenen können gleich geladene Ionen nebeneinander gelangen und sich abstoßen.
elektrische Leitfähigkeit als Schmelze Die Ionen sind beweglich und können Ladung transportieren.
elektrische Leitfähigkeit in Lösung Gelöste Ionen bewegen sich durch die Flüssigkeit.


Ionenradien

Ein Kation ist meist kleiner als das zugehörige neutrale Atom. Durch die Elektronenabgabe nimmt die gegenseitige Abstoßung zwischen Elektronen ab. Manchmal fällt sogar die äußerste besetzte Schale weg.

Ein Anion ist meist größer als das zugehörige neutrale Atom. Durch die Elektronenaufnahme steigt die Abstoßung zwischen den Elektronen in der Hülle.

Diese Größenunterschiede beeinflussen den Aufbau von Ionengittern und die Eigenschaften von Salzen.


Einatomige und mehratomige Ionen

Nicht jedes Ion besteht nur aus einem Atom.

Art Beispiel Name
einatomiges Kation K+ Kaliumion
einatomiges Anion F- Fluoridion
mehratomiges Kation NH4+ Ammoniumion
mehratomiges Anion NO3- Nitration
mehratomiges Anion SO42- Sulfation
mehratomiges Anion CO32- Carbonation

Bei mehratomigen Ionen gehört die angegebene Ladung zur gesamten Atomgruppe.


Typische Ionenladungen im Periodensystem

Bei vielen Hauptgruppenelementen lässt sich eine häufige Ionenladung aus der Stellung im Periodensystem abschätzen.

Hauptgruppe häufige Ionenbildung Beispiel
1 einfach positives Kation Na+
2 zweifach positives Kation Mg2+
13 häufig dreifach positives Kation Al3+
15 bei einfachen Anionen häufig dreifach negativ N3-
16 häufig zweifach negatives Anion O2-
17 häufig einfach negatives Anion Cl-

Bei Übergangsmetallen können unterschiedliche Ionenladungen vorkommen. Eisen bildet zum Beispiel Fe2+- und Fe3+-Ionen. Die Ladung muss dann aus dem Namen, der Formel oder dem Reaktionszusammenhang erschlossen werden.


Verhältnisformeln von Salzen

Ein Salz ist insgesamt elektrisch neutral. Deshalb muss die Summe aller positiven und negativen Ladungen null ergeben.

Allgemein gilt:

nizi=0

Dabei steht ni für die Anzahl einer Ionensorte und zi für ihre Ladungszahl.


Beispiel Natriumchlorid

Na+ und Cl- gleichen sich im Verhältnis 1 zu 1 aus.

Na++ClNaCl


Beispiel Magnesiumchlorid

Ein Mg2+-Ion benötigt zwei Cl--Ionen.

Mg2++2ClMgCl2


Beispiel Aluminiumoxid

Die kleinste gemeinsame Ladung von Al3+ und O2- ist sechs. Deshalb werden zwei Aluminiumionen und drei Oxidionen benötigt.

2Al3++3O2Al2O3

Die tiefgestellten Zahlen geben das kleinste ganzzahlige Zahlenverhältnis der Ionen an. Die Ladungszeichen werden in der fertigen Salzformel nicht mitgeschrieben.


Ionen in Wasser

Viele Salze lösen sich in Wasser. Dabei werden die Ionen aus dem Gitter gelöst und von Wassermolekülen umgeben. Dieser Vorgang heißt Hydratation.

Wasser ist ein polares Molekül. Die teilweise negativ geladene Sauerstoffseite richtet sich zu Kationen aus. Die teilweise positiv geladenen Wasserstoffseiten richten sich zu Anionen aus.

Für Natriumchlorid kann der Lösungsvorgang so geschrieben werden:

NaCl(s)Na(aq)++Cl(aq)

Die Angabe (aq) bedeutet, dass das Ion in Wasser gelöst ist.

Nicht jedes Salz ist gut wasserlöslich. Ob sich ein Salz löst, hängt vom Zusammenspiel der Kräfte im Ionengitter und der Wechselwirkungen mit Wasser ab.


Elektrische Leitfähigkeit und Ionenwanderung

Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung geladener Teilchen.

In einem festen Salzkristall sitzen die Ionen an festen Gitterplätzen. Deshalb leitet festes Natriumchlorid den elektrischen Strom kaum.

In einer Salzschmelze oder Salzlösung sind die Ionen beweglich. Dann können sie Ladung transportieren.

Bei einer Elektrolyse gilt:

  1. Kationen wandern zur negativ geladenen Kathode.
  2. Anionen wandern zur positiv geladenen Anode.

An den Elektroden können Elektronen aufgenommen oder abgegeben werden. Dadurch entstehen aus Ionen neue Stoffe.


Oxidation und Reduktion

Die Bildung von Ionen kann als Elektronenübertragung beschrieben werden.

Oxidation bedeutet Elektronenabgabe:

NaNa++e

Reduktion bedeutet Elektronenaufnahme:

Cl+eCl

Oxidation und Reduktion laufen bei einer Elektronenübertragung immer gekoppelt ab. Eine solche Reaktion heißt Redoxreaktion.


Bedeutung von Ionen im Alltag

Ionen kommen in vielen Bereichen vor:

Bereich Beispiele Bedeutung
Ernährung Na+, K+, Ca2+, Cl- Bestandteile von Lebensmitteln und Körperflüssigkeiten
Nervensystem Na+, K+, Ca2+ Beteiligung an elektrischen Signalen
Knochen und Zähne Calcium- und Phosphationen Aufbau mineralischer Strukturen
Düngemittel NH4+, NO3-, K+ Versorgung von Pflanzen mit Nährstoffen
Batterien bewegliche Ionen im Elektrolyten Transport elektrischer Ladung im Inneren
Wasseraufbereitung Ionenaustausch Entfernung oder Austausch gelöster Ionen

Die Wirkung eines Stoffes kann nicht allein aus der Ladung eines Ions abgeleitet werden. Entscheidend sind unter anderem Ionensorte, Konzentration, Umgebung und chemische Verbindung.


Sicherheit im Chemieunterricht

  1. Chemikalien dürfen niemals probiert werden.
  2. Schutzbrille und weitere vorgeschriebene Schutzausrüstung müssen getragen werden.
  3. Reaktionen mit Natrium oder Chlor gehören ausschließlich in fachkundige Hände.
  4. Elektrolysen dürfen nur mit geeigneten Geräten und nach Anweisung durchgeführt werden.
  5. Unbekannte Salzlösungen werden nicht berührt oder entsorgt, bevor die Lehrkraft die Vorgehensweise erklärt hat.


Häufige Fehler

Fehler Richtigstellung
Ein Kation enthält nur positive Teilchen. Auch ein Kation enthält Protonen und Elektronen. Es besitzt lediglich weniger Elektronen als Protonen.
Ein Anion entsteht durch die Aufnahme von Protonen. Ein einfaches Anion entsteht meist durch die Aufnahme von Elektronen.
Die Ladung steht als tiefgestellte Zahl. Die Ionenladung wird rechts oben am Elementsymbol angegeben.
NaCl besteht aus einzelnen NaCl-Molekülen. Festes Natriumchlorid bildet ein ausgedehntes Ionengitter.
Festes Salz leitet Strom. Erst bewegliche Ionen in einer Schmelze oder Lösung ermöglichen eine gute Ionenleitung.
Die tiefgestellte Zahl in MgCl2 ist eine Ladung. Sie gibt das Zahlenverhältnis der Ionen an.


Zusammenfassung

Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Teilchen. Kationen sind positiv geladen und entstehen meist durch Elektronenabgabe. Anionen sind negativ geladen und entstehen meist durch Elektronenaufnahme. Entgegengesetzt geladene Ionen ziehen sich an und können Ionengitter bilden. Salzformeln geben das kleinste Zahlenverhältnis an, bei dem sich alle Ionenladungen ausgleichen. In Lösungen und Schmelzen sind Ionen beweglich und können elektrischen Strom leiten.


Interaktive Aufgaben


Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist ein Ion? (Ein elektrisch geladenes Teilchen) (!Ein ungeladenes Molekül) (!Ein Teilchen ohne Elektronen) (!Ein einzelnes Proton)




Wie entsteht ein Kation? (Durch die Abgabe von Elektronen) (!Durch die Aufnahme von Elektronen) (!Durch die Abgabe von Protonen) (!Durch die Aufnahme von Neutronen)




Wie entsteht ein Anion? (Durch die Aufnahme von Elektronen) (!Durch die Abgabe von Elektronen) (!Durch die Aufnahme von Protonen) (!Durch die Abgabe von Neutronen)




Warum ist ein Natriumion positiv geladen? (Es besitzt weniger Elektronen als Protonen) (!Es besitzt mehr Elektronen als Protonen) (!Es besitzt keine Protonen) (!Es besitzt mehr Neutronen als Elektronen)




Welche Gleichung beschreibt die Bildung eines Chloridions? (Chlor nimmt ein Elektron auf) (!Chlor gibt ein Elektron ab) (!Chlor nimmt ein Proton auf) (!Chlor gibt ein Neutron ab)




Warum ist ein Salz insgesamt elektrisch neutral? (Positive und negative Ladungen gleichen sich aus) (!Alle Ionen verlieren ihre Ladung) (!Salze enthalten nur neutrale Atome) (!Anionen werden im Gitter zerstört)




Warum leitet festes Natriumchlorid den Strom kaum? (Die Ionen sind nicht frei beweglich) (!Es enthält keine geladenen Teilchen) (!Die Elektronen sind vollständig verschwunden) (!Das Salz besitzt keine Kristallstruktur)




Wohin wandern Kationen bei einer Elektrolyse? (Zur negativ geladenen Kathode) (!Zur positiv geladenen Anode) (!In den Atomkern) (!Immer nach oben)




Welches Zahlenverhältnis gilt in Magnesiumchlorid? (Ein Magnesiumion zu zwei Chloridionen) (!Zwei Magnesiumionen zu einem Chloridion) (!Ein Magnesiumion zu einem Chloridion) (!Drei Magnesiumionen zu zwei Chloridionen)




Welches Teilchen ist ein mehratomiges Anion? (Sulfation) (!Natriumion) (!Magnesiumion) (!Chloridion)





Memory

Kation positiv geladenes Ion
Anion negativ geladenes Ion
Oxidation Elektronenabgabe
Reduktion Elektronenaufnahme
Ionengitter regelmäßige räumliche Anordnung
Elektrolyt ionenhaltige leitfähige Flüssigkeit
Natriumion Na⁺
Chloridion Cl⁻





Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu. Thema
Elektronenabgabe Kationenbildung
Elektronenaufnahme Anionenbildung
Natriumion Na⁺
Chloridion Cl⁻
Ladungsausgleich neutrale Salzformel




...


Kreuzworträtsel

Kation Wie heißt ein positiv geladenes Ion?
Anion Wie heißt ein negativ geladenes Ion?
Elektron Welches Teilchen wird bei der Ionenbildung abgegeben oder aufgenommen?
Ionengitter Wie heißt die regelmäßige räumliche Anordnung in einem Salzkristall?
Elektrolyt Wie nennt man eine ionenhaltige leitfähige Flüssigkeit?
Valenzelektron Wie heißt ein Elektron auf der äußersten besetzten Schale?





LearningApps


Lückentext

Vervollständige den Text.
Ein elektrisch geladenes Teilchen heißt

. Ein positiv geladenes Ion wird als

bezeichnet. Ein negativ geladenes Ion heißt

. Bei der Bildung eines Kations werden Elektronen

. Bei der Bildung eines Anions werden Elektronen

. Die Elektronen auf der äußersten besetzten Schale heißen

. Entgegengesetzt geladene Ionen werden durch elektrostatische

zusammengehalten. Die regelmäßige Anordnung der Ionen in einem Salzkristall heißt

. In einer Salzlösung sind die Ionen frei

. Kationen wandern bei der Elektrolyse zur

. Anionen wandern bei der Elektrolyse zur

. Die Verhältnisformel eines Salzes muss einen vollständigen

zeigen.




Offene Aufgaben


Leicht

  1. Ionen-Steckbrief: Erstelle einen Steckbrief zu einem selbst gewählten Kation und einem selbst gewählten Anion.
  2. Schalenmodell: Zeichne die Bildung eines Natriumions und eines Chloridions im Schalenmodell.
  3. Begriffsplakat: Gestalte ein übersichtliches Plakat mit den Begriffen Atom, Ion, Kation, Anion und Elektron.
  4. Salze im Alltag: Fotografiere oder zeichne drei Produkte, die Salze enthalten, und beschreibe ihre Verwendung.


Standard

  1. Erklärvideo: Produziere ein höchstens dreiminütiges Lernvideo zur Frage, warum Kationen positiv und Anionen negativ geladen sind.
  2. Leitfähigkeit: Plane einen sicheren Vergleich der Leitfähigkeit von festem Salz, destilliertem Wasser und Salzlösung.
  3. Verhältnisformel: Entwickle eine Anleitung, mit der andere Lernende aus Ionenladungen eine Salzformel ableiten können.
  4. Ionenwanderung: Erstelle eine beschriftete Animation oder Bildfolge zur Bewegung von Kationen und Anionen bei einer Elektrolyse.


Schwer

  1. Modellkritik: Vergleiche Schalenmodell, Lewis-Schreibweise und Ionengittermodell und beurteile ihre jeweiligen Grenzen.
  2. Ionennachweis: Recherchiere einen schulgeeigneten Nachweis für ein ausgewähltes Ion und entwirf dazu ein Versuchsprotokoll mit Sicherheitsangaben.
  3. Interview Chemie: Befrage eine Fachperson aus Labor, Medizin, Landwirtschaft oder Wassertechnik zur Bedeutung von Ionen im Berufsalltag.
  4. Forschungsprojekt: Untersuche, wie die Konzentration einer Salzlösung ihre elektrische Leitfähigkeit beeinflusst, und werte Messdaten in einem Diagramm aus.




Text bearbeiten Bild einfügen Video einbetten Interaktive Aufgaben erstellen



Lernkontrolle

  1. Teilchenmodell anwenden: Erkläre mit dem Teilchenmodell, warum festes Kochsalz nicht gut leitet, eine Kochsalzlösung aber schon.
  2. Fehleranalyse: Eine Schülerin behauptet, ein Chloridion sei negativ, weil es ein Proton verloren habe. Widerlege die Aussage fachlich.
  3. Formel ableiten: Leite aus Al3+ und O2- die Formel des entstehenden Salzes ab und begründe jeden Schritt.
  4. Modellvergleich: Vergleiche ein einzelnes Na+-Cl--Paar mit einem Ionengitter. Erkläre, welches Modell festes Natriumchlorid besser beschreibt.
  5. Elektrolyse übertragen: Sage voraus, zu welcher Elektrode Cu2+- und Cl--Ionen wandern, und begründe Deine Entscheidung.
  6. Alltagsbezug: Erkläre, warum eine Elektrolytlösung sowohl positive als auch negative Ionen enthalten muss, obwohl sie insgesamt neutral ist.




Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig:

  1. Du definierst Ion, Kation und Anion fachlich korrekt.
  2. Du erklärst Ionenbildung als Abgabe oder Aufnahme von Elektronen.
  3. Du stellst einfache Ionen im Schalenmodell oder in der Lewis-Schreibweise dar.
  4. Du leitest häufige Ionenladungen von Hauptgruppenelementen ab.
  5. Du stellst Verhältnisformeln durch Ladungsausgleich auf.
  6. Du erklärst Ionengitter, Sprödigkeit und hohe Schmelztemperaturen.
  7. Du vergleichst die Leitfähigkeit fester Salze mit der von Salzschmelzen und Salzlösungen.
  8. Du beschreibst die Wanderung von Kationen und Anionen bei einer Elektrolyse.
  9. Du verwendest chemische Symbole, Ladungszeichen und Indizes korrekt.
  10. Du beachtest bei Versuchen die Sicherheitsregeln.




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