Was bedeutet diese Aufgabe, die bei uns im Test drankommen wird und wie geht das?

Chemietestaufgabe - (Chemie, Ionen)

4 Antworten

Moin,

Ionen sind geladene Teilchen auf atomarem Niveau. Es gibt positiv geladene Ionen, die man auch "Kationen" nennt, und es gibt negativ geladene Ionen, die dann "Anionen" heißen.

Da sich entgegengesetzt geladene Ionen gegenseitig anziehen (und umlagern), bilden sich Ionenverbindungen aus. Darin bilden zig-zig-Milliarden Kationen und Anionen große Ionengitter (Kristalle). Darum ist es nicht zweckmäßig, in einer Formel die genaue Anzahl von enthaltenen Ionen in so einem Kristall angeben zu wollen.

Dieses "Problem" hat man dadurch gelöst, dass man statt der genauen Anzahl der Ionen das kleinste Verhältnis der beiden in einem Kristall enthaltenen Ionensorten anzugeben, das nötig ist, um die Ladungen beider Ionen gegenseitig zu kompensieren. Solche Formeln bezeichnet man deshalb auch als "Verhältnisformeln".

In deinem ersten Beispiel (Bariumchlorid: BaCl2) ist es nun so, dass darin auf ein Barium-Kation (Ba^2+) zwei Chlorid-Anionen (Cl^–) kommen. Das liegt nun wiederum daran, dass das Barium-Kation zweifach positiv geladen ist. Das Chlorid-Anion ist dagegen nur einfach negativ geladen. Wenn du deshalb

"BaCl" schreiben würdest, bliebe eine positive Ladung des Barium-Kations unausgeglichen (2 x +, aber nur 1 x –, verstehst du?). Darum benötigst du ein zweites Chlorid-Anion, um die Wirkung der beiden positiven Ladungen des Barium-Kations zu kompensieren. Daher lautet die Verhältnisformel von Bariumchlorid

BaCl2.

Nun wolltest du noch wissen, wie man das macht...

Dazu betrachten wir das Periodensystem der Elemente (PSE). Relativ einfach ist das, wenn es sich um Hauptgruppenelemente handelt. Bei Hauptgruppenelementen (leider nur bei diesen) gibt dir nämlich die Hauptgruppennummer die Anzahl der Valenzelektronen an, die Atome der Elemente haben, die in der Hauptgruppe versammelt sind.

So haben alle Atome von Elementen aus der 1. Hauptgruppe genau 1 Valenzelektron. Wasserstoffatome haben 1 Valenzelektron, Lithiumatome auch, ebenso die Atome von Natrium, Kalium, Rubidium...
Alle Atome der Elemente in der 2. Hauptgruppe haben genau 2 Valenzelektronen.
Alle Atome der Elemente in der 3. Hauptgruppe haben 3 Valenzelektronen...
Alle Atome der 7. Hauptgruppe haben... Na? - Genau 7 Valenzelektronen.
Und alle Atome der 8. Hauptgruppe haben (bis auf Heliumatome) 8 Valenzelektronen.

Wenn die jeweiligen Atome in chemischen Reaktionen miteinander reagieren und dabei Elektronen übertragen, dann entstehen Ionen. Die Atome, die Elektronen abgeben, werden zu Kationen (positiv geladenen Ionen). Die Atome, die Elektronen aufnehmen, werden zu Anionen (negativ geladenen Ionen).

Dabei drängen sich (mindestens) drei Fragen auf, nämlich erstens: Warum bilden sich dann positiv geladene Kationen und negativ geladene Anionen? Zweitens: Warum geben die Atome Elektronen ab oder nehmen welche auf? Und drittens: Wer gibt Elektronen ab, wer nimmt sie auf?

Zur ersten Frage: Wenn Atome Elektronen aufnehmen, entstehen negativ geladene Ionen. Das ist verständlich, wenn man bedenkt, dass Elektronen negativ geladene Elementarteilchen (Atombausteine) sind. Wenn also ein (ungeladenes) Atom ein negativ geladenes Elektron aufnimmt, ist es doch logisch, dass aus dem Atom ein negativ geladenes Ion (Anion) wird, oder? Wenn es zwei Elektronen aufnimmt, wird es zu einem zweifach negativ geladenen Anion, nimmt es drei Elektronen auf, steigt seine Ladung auf "3–".
Aber warum wird ein (ungeladenes) Atom positiv geladen, wenn es ein Elektron abgibt? - Nun, weil es dann einen negativen Ladungsträger abgibt. Im Atom sind gleich viele positiv geladene Protonen im Atomkern wie es negativ geladene Elektronen in der Atomhülle gibt. Darum ist das Atom ungeladen, weil sich die Wirkungen der in gleicher Anzahl vorhandenen Elektronen (in der Hülle) und Protonen (im Kern) gerade gegenseitig aufheben (kompensieren). Nimmst du nun aber ein Elektron aus der Hülle weg, um es abzugeben, dann reduziert das zwar die Anzahl der Elektronen, aber nicht die Anzahl der Protonen im Kern. Dann ist in der Endabrechnung plötzlich eine positive Ladung im Kern mehr vorhanden, so dass das ganze Teilchen zum positiv geladenen Kation wird.
Werden zwei Elektronen aus der Hülle abgegeben, entsteht ein zweifach positiv geladenes Kation usw.

Zur zweiten Frage: Um zu verstehen, warum Atome überhaupt Elektronen übertragen, hilft es, wenn du einmal im PSE auf die 8. Hauptgruppe schaust. Hier sind Elemente versammelt, die man "Edelgase" nennt. Diese Elementfamilie heißt nicht etwa so, weil die dazu gehörenden Elemente (Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon, Oganesson) so "wertvoll" sind, sondern weil diese Elemente (im Grunde) keine stabilen Verbindungen mit anderen Elementen bilden (sie sind zu "edel" dafür!). Warum ist das so? - Nun, oben wurde bereits erwähnt, dass alle Atome (bis auf die vom Helium) dieser Gruppe 8 Valenzelektronen haben. Offenbar ist das eine Anzahl, die sich so hervorragend in der Atomhülle verteilen lässt, dass jede Veränderung energetisch von (großem) Nachteil wäre. Oder anders gesagt: Die Edelgasatome sind so stabil, dass eine Verbindung mit anderen Atomen zu instabileren Zuständen führt. Die Anordnung der Elektronen in Edelgasatomen ist so toll, dass man sie sogar "Edelgaskonfiguration" nennt.
Alle anderen Atome aller anderen Elemente haben keine so tolle Edelgaskonfiguration. Entweder haben sie minimal zu wenige Elektronen in ihrer Hülle (Nichtmetall-Atome) oder sie haben viel zu wenige Elektronen dafür (Metallatome).
Und jetzt kommt's: Wenn du dir ein Chloratom anschaust, dann verrät dir die Hauptgruppennummer, das es 7 Valenzelektronen hat. Dem Chloratom fehlt also nur ein einziges Elektron, um die so perfekte Anzahl von 8 Elektronen (und damit die Edelgaskonfiguration) zu erreichen. Ein einziges, winziges Elektron...!
Und nun schau auf ein Natriumatom. Natrium steht in der 1. Hauptgruppe; seine Atome haben also 1 Valenzelektron. Für die Auffüllung auf 8 Elektronen fehlen also satte 7 Elektronen! Das ist zu viel, um sie ernsthaft aufnehmen zu wollen. Aber stell dir vor, das Natriumatom könnte dieses "blöde" einzelne Elektron loswerden. Wenn das Elektron weg wäre, fiele die Hüllschicht, in der das Elektron war (man sagt dazu auch "Schale") weg. Die bis dahin zweitäußerste Schale würde dann zur äußeren Schale werden. Aber diese Schale wäre mit Elektronen voll besetzt (sie hätte Edelgaskonfiguration). Natrium müsste also nur sein einzelnes Valenzelektron loswerden. Nur ein Elektron...!
Und nun darfst du raten, was passiert, wenn ein Natriumatom auf ein Chloratom trifft (und beide miteinander reagieren können). - Jaaha!! Das Natriumatom gibt sein einzelnes Valenzelektron nur zu gerne ab und das Chloratom nimmt dieses einzelne Elektron liebend gerne auf. Dadurch wird das Natriumatom zum einfach positiv geladenen Natrium-Kation, während das Chloratom zum einfach negativ geladenen Chlorid-Anion wird.
Das geschieht, weil beide Atome dadurch zu einem Teilchen werden, in dem sie eine Elektronenkonfiguration erreichen, wie sie Edelgasatome von Natur aus haben. Wohlgemerkt, beide Reaktionspartner werden keine Edelgasatome, aber sie erhalten als Ionen die gleiche tolle Edelgas-Elektronenkonfiguration. Alles klar?

Gut, dann zu Frage drei: Wenn du verstanden hast, warum Atome Elektronen abgeben oder aufnehmen, ist es nicht mehr schwierig zu verstehen, wer Elektronen abgibt und wer sie aufnimmt. Metallatome haben in der Regel sehr wenige Valenzelektronen. Nichtmetallatome haben dagegen in der Regel viele Elektronen. Dementsprechend geben Metallatome im Verlauf einer Reaktion Elektronen ab (und werden zu Kationen), während Nichtmetallatome diese Elektronen in dieser Reaktion aufnehmen (und zu Anionen werden).

Und jetzt können wir (endlich) besprechen, wie man ermitteln kann, welche Ionen in den Verhältnisformeln stecken...

In diesen Formeln wird vereinbarungsgemäß immer zuerst das Kation genannt. Hinten dran folgt das Anion. Kationen entstehen aus Metallatomen, Anionen (vereinfacht gesagt) aus Nichtmetallatomen.
Die Metall-Atome der Elemente der ersten Hauptgruppe haben ein Valenzelektron, das sie gerne abgeben, um so zu einfach positiven Kationen zu werden.
Die Metall-Atome der Elemente der zweiten Hauptgruppe haben zwei Valenzelektronen, die sie ebenfalls gerne abgeben, um so zu zweifach positiv geladenen Kationen zu werden.
Die Metall-Atome der Elemente der dritten Hauptgruppe haben drei Valenzelektronen, die sie immer noch abgeben können, um so zu dreifach positiv geladenen Kationen zu werden.
Die Elemente der vierten Hauptgruppe lassen wir hier mal unbeachtet (dort läuft das oft anders).
Die Atome der im PSE oberen Elemente der fünften Hauptgruppe (Stickstoff, Phosphor) sind Nichtmetalle. Sie haben fünf Valenzelektronen. Darum ist es für sie leichter, drei Elektronen aufzunehmen (als fünf Elektronen abzugeben). Dadurch füllen sie ihre Schale auf und erreichen so Edelgaskonfiguration. Durch die Aufnahme werden sie zu dreifach negativ geladenen Anionen.
Die Atome der Elemente der sechsten Hauptgruppe (Sauerstoff, Schwefel) sind ebenfalls Nichtmetalle. Sie nehmen bevorzugt zwei Elektronen auf und werden dadurch zu zweifach negativ geladenen Anionen.
Die Atome der Elemente der siebenten Hauptgruppe (Fluor, Chlor, Brom, Iod) sind Nichtmetalle und nehmen gerne ein Elektron auf. Dadurch werden sie zu einfach negativ geladenen Anionen.

BaCl2 setzt sich also aus folgenden Ionen zusammen:
Ba^2+ und 2 Cl^–
Warum? - Weil Barium in der 2. Hauptgruppe steht. Zweite Hauptgruppe heißt 2 Valenzelektronen. Die werden gerne abgegeben. Dann entsteht ein Ba^2+-Kation.
Chlor steht in der 7. Hauptgruppe. 7. Hauptgruppe heißt 7 Valenzelektronen. Darum wird 1 Elektron aufgenommen, was zu einfach negativ geladenen Anionen führt...

Das nächste Beispiel in deiner Reihung ist Eisen-III-oxid (Fe2O3). Eisen gehört nicht zu den Hauptgruppenelementen, sondern zu denen der Nebengruppen. Für Nebengruppenelemente gelten die oben beschriebenen Zusammenhänge bezüglich der Valenzelektronen leider nicht. Aber du kannst trotzdem herausfinden, welche Ionen in dieser Verhältnisformel stecken.
Dazu musst du dir nur klar machen, dass laut Formel 2 Eisen-Kationen ("Fe2...") auf drei Oxid-Anionen ("...O3") kommen. Und Sauerstoff (O) ist ein Hauptgruppenelement! Oxid-Anionen sind zweifach negativ geladene Anionen (O^2–), nicht wahr?!
Und nun überlege: Du hast 3 zweifach negativ geladene Anionen. Das macht (2 • 3 =) 6 negative Ladungen (3 O^2–). Diese 6 negativen Ladungen müssen durch (nur) zwei Eisen-Kationen ausgeglichen werden, die demnach zusammen 6 positive Ladungen aufbringen müssen. Das bedeutet, dass jedes Eisen-Kation eine Ladung von (6+ : 2 =) 3+ haben muss, verstehst du?
Also sind in Fe2O3 folgende Ionen enthalten: 2 Fe^3+ und 3 O^2–. Logisch, oder?

Ich denke, den Rest kannst du nun selbst lösen... Viel Spaß dabei.

LG von der Waterkant.

Naja, allgemein heißt "Ion"  "Wanderer", also ein TEilchen, das im elektrischen Feld wandert. und dazu gehören auch Moleküle, die geladen sind (beispielsweise Sulfat-Ionen oder Ammonium-Ionen). also allgemein ATome oder moleküle, die geladen sind, zu viele oder zu wenige Elektronen besitzen

Genau. 

Ein Ione ist ein geladenes Atom. Also ein Atom mit mehr Elektronen als Protonen oder mit weniger Elektronen als Protonen; niemals gleich viele.

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