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Mein Beitrag zum Internet - mbzi.de

Die Ionenbindung

Allgemeine Erklärung

Atome gehen Verbindungen ein, um die Elektronenkonfiguration des ihnen im Periodensystem am nächsten stehenden Edelgases, die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Reagiert ein Metall mit einem Nichtmetall, bedeutet dies in der Regel, dass das Metall Elektronen abgibt und seine äußerste Schale leert, während das Nichtmetall die Elektronen aufnimmt und so seine äußerste Schale bis zur Erreichung der Edelgaskonfiguration auffüllt und dann also acht Elektronen in der äußersten besetzten Schale hat. Die hierbei entstehenden geladenen Atome werden Ionen genannt.

Durch die Elektronenaufnahme werden aus den Nichtmetallatomen negativ geladene Ionen (Anionen) und aus den Metallatomen positiv geladene Ionen (Kationen). Die Ionenladung wird oben rechts neben das Elementsymbol geschrieben. Hierbei erfolgt eine Angabe in Vielfachen der Elementarladung e gefolgt von einem Plus oder Minus für die Art der Ionenladung, also etwa Al3+, Cl1-, O2-, Na1+,.... wobei eine 1 weggelassen werden kann.

Die Bindung in salzartigen Verbindungen erfolgt nun durch die gegenseitige Anziehung der entgegengesetzt geladenen Ionen. Die sich hierbei ausbildende Bindung wird Ionenbindung genannt. Salzartige Verbindungen bilden i.d.R. Kristalle und besitzen einen hohen Schmelz- und Siedepunkt. Die Ursache hierfür ist, dass die Ionenbindung nicht genau zwischen zwei Atomen ausgebildet wird, sondern ungerichtet ist. Jedes Anion ist mit jedem benachbarten Kation verbunden und umgekehrt.

Im Grunde ist die Ionenbindung also eigentlich ganz einfach.... betrachten wir mal ein paar Beispiele.

Beispiele

Nichtmetalle kommen immer in Form von Molekülen vor, d.h. sie können nicht als einzelne Atome an einer Reaktion teilnehmen. Wenn Du nicht weißt, was ein Molekül ist, lies z.B: den Text zu "Elementsymbole und Formeln" hier auf mbzi.de.

Eisen reagiert mit Sauerstoff

Diese Reaktion kennen wir alle vom Rosten. Eisen reagiert in Gegenwart von Wasser zu "Rost". Stark vereinfacht könnte man die Reaktion zurückführen auf eine Reaktion zwischen Eisen (Fe) und Sauerstoff (O2) zu Eisenoxid (FeO).

Wenden wir die obige "allgemeine Erklärung" an, finden wir heraus: Die Sauerstoffatome nehmen bei der Reaktion Elektronen auf. Genauer gesagt nimmt jedes Sauerstoffatom zwei Elektronen auf, da es als Element der 6. Hauptgruppe des Periodensystems sechs Elektronen auf der äußersten Schale hat. Das im Periodensystem am nächsten stehende Edelgas ist das Neon, dass 8 Elektronen auf der äußersten Schale hat. Jedes Sauerstoffatom nimmt also zwei Elektronen auf, um die Elektronenkonfiguration des Neons zu erreichen.

Sauerstoff, Oxidionen und Neon im Schalenmodell
Sauerstoff, Oxidionen und Neon im Schalenmodell

Da in einem Sauerstoffmolekül zwei Sauerstoffatome sind, nimmt jedes Molekül also 2 mal 2, also 4 Elektronen auf. Durch diese Elektronenaufnahme zerfällt das Molekül in zwei zweifach negativ geladene Oxidionen (O2-). Als Reaktionsgleichung für die Elektronenaufnahme eines Sauerstoffmoleküls ergibt sich dann:

O2 + 4 e- → 2 O2-

Eisen hat als Element mit der Ordnungszahl 26 ebenso viele Elektronen. Als Nebengruppenelement kann es die Elektronenkonfiguration des nächsten Edelgases (Argon, 18 Elektronen) kaum erreichen, weshalb sich die Zahl der abzugebenden Elektronen nur schwierig aus dem Periodensystem ablesen lässt. Allerdings hat ein Eisenatom zwei Elektronen in der vierten, äußersten Schale, die es realtiv leicht abgibt. Das passt auch zur Verhältnisformel des Produktes Eisenoixd (FeO), denn hier sind gleich viele Eisenionen wie Oxidionen enthalten und da die Oxidionen immer zweifach negativ sind, müssen die gleich vielen Eisenionen zweifach positiv sein. Jedes Eisenatom gibt bei dieser Reaktion also zwei Elektronen ab und wird hierdurch zu einem zweifach positiv geladenen Kation:

Fe → Fe2+ + 2 e-

Die Elektronenabgabe des Eisens liefert also zwei Elektronen, während für die Elektronenaufnahme des Sauerstoffs vier Elektronen benötigt werden. Um die Reaktion des Sauerstoffs einmal durchführen zu können, müssen wir also zwei Eisenatome verwenden bzw. die Elektronenabgabe zweimal machen. Hieraus ergibt sich folgende Gesamtreaktion:

2 Fe + O2 → 2 Fe2+ + 2 O2- → 2 FeO

Eisenoxid in einer Modelldarstellung
Eisenoxid in einer Modelldarstellung - tatsächlich sind die Oxidionen allerdings viel kleiner als die Eisenionen und die räumliche Anordnung ist deutlich komplexer.

Da verschiedene Ladungen sich gegenseitig anziehen, ziehen sich die Eisenionen und die Oxidionen an. Jedes Eisenion wird also möglichst viele Oxidionen zu sich ziehen und jedes Oxidion gleichzeitig möglichst viele Eisenionen. Hierdurch entsteht ein Ionenverband, in dem sich jedes Eisenion mit möglichst vielen Oxidionen und jedes Oxidion mit möglichst vielen Eisenionen umgibt. Es entsteht ein Kristall aus genau gleich vielen Eisen- wie Oxidionen, der durch die gegenseitig Anziehung der entgegen gerichteten Ladungen zusammen gehalten wird - es hat sich eine Ionenbindung zwischen Eisen und Sauerstoff ausgebildet.

Magnesium reagiert mit Sauerstoff

Die Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff kennen wir alle von der Wunderkerze. Außerdem wurde früher durch diese Reaktion der "Blitz" beim Fotografieren erzeugt, was die älteren Leser vielleicht noch von den "Einwegblitzwürfeln" analoger Kameras kennen. Magnesium verbrennt mit sehr heller Flamme bei sehr hohen Temperaturen. Der Brand lässt sich nicht mit Wasser löschen und "Magnesiumfackeln" brennen sogar unter Wasser weiter, was Du vielleicht schon mal im Fernsehen gesehen hast.

Wenn Magnesium mit Sauerstoff reagiert, ändert sich gegenüber der vorherigen Reaktion nur die Elektronenquelle; der Elektronenakzeptor bleibt der Sauerstoff, der also genau wie oben reagiert:

O2 + 4 e- → 2 O2-

Magnesium hat die Ordnungszahl zwölf und steht im Periodensystem in der dritten Periode in der zweiten Hauptgruppe. Von den 12 Elektronen befinden sich also zwei in der dritten, äußersten besetzten Schale. Um die Elektronenkonfiguration des im Periodensystem nächst gelgenen Edelgases, des Neons, zu erreichen wird jedes Magnesiumatom also zwei Elektronen abgeben und so die dritte Schale leeren. Es entsteht ein zweifach positiv geladenes Magnesiumion (Mg2+):

Mg → Mg2+ + 2 e -

Wie schon bei der vorherigen Reaktion müssen wir also die Elektronenabgabe zweimal machen, um die Elektronenaufnahme einmal machen zu können und es ergibt sich folgende Gesamtreaktion:

2 Mg + O2 → 2 Mg2+ + 2 O2- → 2 MgO

Wie schon bei der Reaktion zwischen Eisen und Sauerstoff bildet sich auch hier eine Ionenbindung zwischen den positiv geladenen Magnesiumionen und den negativ geladenen Oxidionen aus, wodurch festes Magnesiumoxid (Magnesia) entsteht.

Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff im Schaltenmodell
Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff im Schaltenmodell

In der Darstellung der Reaktion im Schalenmodell sieht man die Übertragung der Elektronen vom Magnesium zum Sauerstoff, die durch die roten Pfeile gekennzeichnet ist. Vor der Reaktion sind die beiden Sauerstoffatome dadurch verbunden, dass sie sich Elektronen teilen (Elektronenpaarbindung). Durch die gemeinsame Nutzung der Elektronen stehen auch im Sauerstoffmolekül jedem Atom acht Elektronen auf seiner äußersten Schale zur Verfügung; allerdings gehören jedem Sauerstoffatom nur vier davon. Die anderen vier werden gemeinsam mit dem anderen Sauerstoffatom genutzt und gehören somit beiden Atomen. Durch die Reaktion mit dem Magnesium erhält nun das Sauerstoffmolekül insgesamt vier Elektronen dazu und die gemeinsame Nutzung von Elektronen durch die beiden Sauerstoffatome ist nicht mehr nötig. Da durch genau diese gemeinsame Nutzung von Elektronen die Atome im Molekül miteinander verbunden sind, zerfällt das Sauerstoffmolekül durch Elektronenaufnahme in zwei voneinander unabhängige Oxidionen.

Aluminium reagiert mit Sauerstoff

Bei der Reaktion von Aluminium mit Sauerstoff entsteht Aluminiumoxid. Diese Reaktion ist uns nicht so auffällig bekannt, wie die beiden anderen. Trotzdem kennen wir Aluminiumoxid z.B. als Basismaterial der Edelsteine Rubin und Saphir. Außerdem ist Aluminium ein sehr unedles Metall, dass an der Luft viel schneller mit Sauerstoff zum Oxid reagiert als beispielsweise Eisen. Alle Dinge aus Aluminium werden also überall dort, wo sie nicht mit einer Schutzschicht überzogen sind, sehr schnell oxidiert. Allerdings ist diese Oxidschicht relativ beständig - ein sehr cooler Effekt. Das Aluminium überzieht sich selbst beim Kontakt mit der Luft mit einer kaum sichtbaren Schutzschicht aus Aluminiumoxid, die eine weitere Oxidation erfolgreich unterbindet - es lackiert sich sozusagen selbst. Während beim Eisen der Rost eine weitere Oxidation beschleunigt und das Rosten beim Eisen somit immer schneller geht, wenn es erstmal begonnen hat, verhindert beim Aluminium die oberflächliche Oxidschicht eine weitere Oxidation der tieferen Schichten.

Blicken wir ins Periodensystem, finden wir Aluminium mit der Ordnungszahl 13 in der dritten Periode und dort in der dritten Hauptgruppe. Das Aluminiumatom hat also bei 13 Protonen im Kern auch 13 Elektronen in der Hülle, von denen sich drei in der äußersten, dritten Schale befinden. Um die Elektronenverteilung des nächstgelegenen Edelgases, des Neons, zu erreichen, müsste jedes Aluminiumatom also drei Elektronen abgeben.

Alumnium und Aluminiumion im Schalenmodell
Aluminium (Al) und Alumminiumion (Al3+) im Schalenmodell

Bei chemischen Reaktionen gibt jedes Aluminiumatom also seine drei Elektronen auf der äußersten besetzten Schale ab und wir so zu einem dreifach positiv geladenen Kation (Al3+).

Al → Al3+ + 3 e-

Da jedes Sauerstoffmolekül, wie auch schon weiter oben beschrieben, vier Elektronen aufnimmt, geht das nur zusammen, wenn insgesamt 12 Elektronen übertragen werden. D.h. es müssen immer vier Aluminiumatome mit drei Sauerstoffmolekülen reagieren.

4 Al + 3 O2 → 4 Al3+ + 6 O2- → 2 Al2O3

Nach der Reaktion hat man dann neben vier Aluminiumionen (Al3+) auch sechs Oxidionen (O2-). Zwischen diesen Ionen bildet sich dann wegen der gegenseitigen Anziehung eine Ionenbindung aus, wodurch festes Aluminiumoxid entsteht, dass die verschiedenen Atome im Anzahlverhältnis Al : O = 4 : 6 enthält. Das kleinste Atomanzahlverhältnis wäre allerdings Al : O = 2 : 3, weshalb die Verhältnisformel von Aluminiumoxid Al2O3 ist. Aus vier Aluminiumionen und sechs Oxidionen lassen sich zwei Formeleinheiten Al2O3 bilden, weshalb in der Reaktionsgleichung weiter oben "2 Al2O3" steht.

Im Schalenmodell sieht man schon, dass das Aluminiumion relativ klein ist und anteilig ziemlich viele Elektronen eingebüßt hat (3 von 13). Das hat ein paar Besonderheiten zur Folge: