CHEM 1305 Introductory Chemistry

In gewöhnlichen chemischen Reaktionen bleibt der Kern jedes Atoms (und damit die Identität des Elements) unverändert. Allerdings können Atome durch Übertragung von anderen Atomen Elektronen hinzugewinnen, durch Übertragung auf andere Atome Elektronen verlieren oder mit anderen Atomen teilen. Die Übertragung und der Austausch von Elektronen zwischen Atomen bestimmen die Chemie der Elemente. Bei der Bildung einiger Verbindungen gewinnen oder verlieren Atome Elektronen und bilden elektrisch geladene Teilchen, die Ionen genannt werden (Abbildung 1).

Abbildung 1. (a) Ein Natriumatom (Na) hat die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen (11) und ist ungeladen. (b) Ein Natriumkation (Na+) hat ein Elektron verloren, so dass es ein Proton (11) mehr hat als Elektronen (10), was ihm eine positive Gesamtladung verleiht, die durch ein hochgestelltes Pluszeichen gekennzeichnet ist.

Mit Hilfe des Periodensystems kann man vorhersagen, ob ein Atom ein Anion oder ein Kation bildet, und man kann oft auch die Ladung des resultierenden Ions vorhersagen. Die Atome vieler Metalle der Hauptgruppe verlieren so viele Elektronen, dass sie die gleiche Anzahl von Elektronen haben wie ein Atom des vorhergehenden Edelgases. Zur Veranschaulichung: Ein Atom eines Alkalimetalls (Gruppe 1) verliert ein Elektron und bildet ein Kation mit einer 1+-Ladung; ein Erdalkalimetall (Gruppe 2) verliert zwei Elektronen und bildet ein Kation mit einer 2+-Ladung, und so weiter. Ein neutrales Kalziumatom mit 20 Protonen und 20 Elektronen verliert zum Beispiel leicht zwei Elektronen. Dadurch entsteht ein Kation mit 20 Protonen, 18 Elektronen und einer 2+-Ladung. Es hat die gleiche Anzahl von Elektronen wie die Atome des vorhergehenden Edelgases Argon und wird als Ca2+ bezeichnet. Der Name eines Metallions ist derselbe wie der Name des Metallatoms, aus dem es sich bildet, daher wird Ca2+ als Kalziumion bezeichnet.

Wenn Atome von Nichtmetallelementen Ionen bilden, gewinnen sie im Allgemeinen so viele Elektronen, dass sie die gleiche Anzahl von Elektronen wie ein Atom des nächsten Edelgases im Periodensystem haben. Atome der Gruppe 17 gewinnen ein Elektron und bilden Anionen mit einer 1-Ladung; Atome der Gruppe 16 gewinnen zwei Elektronen und bilden Ionen mit einer 2-Ladung usw. Ein Beispiel: Das neutrale Bromatom mit 35 Protonen und 35 Elektronen kann ein Elektron erhalten, so dass es 36 Elektronen hat. Dadurch entsteht ein Anion mit 35 Protonen, 36 Elektronen und einer Ladung von 1. Es hat die gleiche Anzahl von Elektronen wie die Atome des nächsten Edelgases, Krypton, und wird als Br- bezeichnet. (Eine Diskussion der Theorie, die den bevorzugten Status der Edelgas-Elektronenzahlen unterstützt, die sich in diesen Vorhersageregeln für die Ionenbildung widerspiegeln, erfolgt in einem späteren Kapitel dieses Textes.)

Beachten Sie die Nützlichkeit des Periodensystems bei der Vorhersage der wahrscheinlichen Ionenbildung und Ladung (Abbildung 2). Wenn man im Periodensystem von ganz links nach rechts geht, neigen die Hauptgruppenelemente dazu, Kationen mit einer Ladung zu bilden, die der Gruppennummer entspricht. Das heißt, Elemente der Gruppe 1 bilden 1+-Ionen, Elemente der Gruppe 2 bilden 2+-Ionen und so weiter. Wenn man im Periodensystem von ganz rechts nach links geht, bilden die Elemente oft Anionen mit einer negativen Ladung, die der Anzahl der Gruppen entspricht, die von den Edelgasen nach links verschoben wurden. Zum Beispiel bilden Elemente der Gruppe 17 (eine Gruppe links von den Edelgasen) 1-Ionen; Elemente der Gruppe 16 (zwei Gruppen links) bilden 2-Ionen und so weiter. Diese Tendenz kann in vielen Fällen als Richtschnur dienen, aber ihr Vorhersagewert nimmt ab, wenn man sich der Mitte des Periodensystems nähert. Tatsächlich weisen Übergangsmetalle und einige andere Metalle oft variable Ladungen auf, die durch ihre Position in der Tabelle nicht vorhersehbar sind. Zum Beispiel kann Kupfer Ionen mit einer 1+ oder 2+ Ladung bilden, und Eisen kann Ionen mit einer 2+ oder 3+ Ladung bilden.

Abbildung 2. Einige Elemente weisen ein regelmäßiges Muster der Ionenladung auf, wenn sie Ionen bilden.

Die Ionen, die wir bisher besprochen haben, nennt man einatomige Ionen, d.h. sie werden aus nur einem Atom gebildet. Es gibt aber auch viele polyatomare Ionen. Diese Ionen, die als diskrete Einheiten fungieren, sind elektrisch geladene Moleküle (eine Gruppe von gebundenen Atomen mit einer Gesamtladung). Einige der wichtigsten mehratomigen Ionen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Oxyanionen sind mehratomige Ionen, die ein oder mehrere Sauerstoffatome enthalten. An diesem Punkt Ihres Chemiestudiums sollten Sie sich die Namen, Formeln und Ladungen der häufigsten mehratomigen Ionen einprägen. Da du sie immer wieder verwenden wirst, werden sie dir bald vertraut sein.

Beachte, dass es ein System zur Benennung einiger polyatomarer Ionen gibt; -ate und -ite sind Suffixe, die polyatomare Ionen mit mehr oder weniger Sauerstoffatomen bezeichnen. Per- (kurz für „hyper“) und hypo- (bedeutet „unter“) sind Präfixe, die mehr Sauerstoffatome als -ate bzw. weniger Sauerstoffatome als -ite bezeichnen. Perchlorat ist zum Beispiel {\text{ClO}}_{4}{}^{-}, Chlorat ist {\text{ClO}}_{3}{}^{-}, Chlorit ist {\text{ClO}}_{2}{}^{-} und Hypochlorit ist ClO-. Leider ist die Anzahl der Sauerstoffatome, die einem bestimmten Suffix oder Präfix entspricht, nicht einheitlich; so ist beispielsweise Nitrat {\text{NO}}_{3}{}^{-}, während Sulfat {\text{SO}}_{4}{}^{2-} ist. Dies wird im nächsten Modul zur Nomenklatur ausführlicher behandelt.

Die Art der Anziehungskräfte, die Atome oder Ionen in einer Verbindung zusammenhalten, ist die Grundlage für die Klassifizierung chemischer Bindungen. Wenn Elektronen übertragen werden und sich Ionen bilden, entstehen ionische Bindungen. Bei ionischen Bindungen handelt es sich um elektrostatische Anziehungskräfte, d. h. um die Anziehungskräfte zwischen Objekten mit entgegengesetzter elektrischer Ladung (in diesem Fall Kationen und Anionen). Wenn Elektronen „geteilt“ werden und sich Moleküle bilden, entstehen kovalente Bindungen. Kovalente Bindungen sind die Anziehungskräfte zwischen den positiv geladenen Kernen der gebundenen Atome und einem oder mehreren Elektronenpaaren, die sich zwischen den Atomen befinden. Verbindungen werden auf der Grundlage der in ihnen vorhandenen Bindungen als ionisch oder molekular (kovalent) klassifiziert.

Ionische Verbindungen

Wenn ein Element, das aus Atomen besteht, die leicht Elektronen verlieren (ein Metall), mit einem Element reagiert, das aus Atomen besteht, die leicht Elektronen gewinnen (ein Nichtmetall), kommt es in der Regel zu einer Übertragung von Elektronen, wobei Ionen entstehen. Die durch diese Übertragung gebildete Verbindung wird durch die elektrostatische Anziehungskraft (Ionenbindung) zwischen den Ionen mit entgegengesetzter Ladung in der Verbindung stabilisiert. Wenn zum Beispiel jedes Natriumatom in einer Natriummetallprobe (Gruppe 1) ein Elektron abgibt, um ein Natriumkation, Na+, zu bilden, und jedes Chloratom in einer Chlorgasprobe (Gruppe 17) ein Elektron annimmt, um ein Chloridanion, Cl-, zu bilden, besteht die resultierende Verbindung, NaCl, aus Natrium- und Chloridionen im Verhältnis von einem Na+-Ion für jedes Cl–Ion. In ähnlicher Weise kann jedes Kalziumatom (Gruppe 2) zwei Elektronen abgeben und jeweils eines auf zwei Chloratome übertragen, um CaCl2 zu bilden, das aus Ca2+- und Cl–Ionen im Verhältnis von einem Ca2+-Ion zu zwei Cl–Ionen besteht.

Eine Verbindung, die Ionen enthält und durch Ionenbindungen zusammengehalten wird, nennt man eine ionische Verbindung. Anhand des Periodensystems können wir viele der ionischen Verbindungen erkennen: Wenn ein Metall mit einem oder mehreren Nichtmetallen verbunden ist, handelt es sich in der Regel um eine ionische Verbindung. Dieser Leitfaden eignet sich gut für die Vorhersage der Bildung ionischer Verbindungen für die meisten Verbindungen, die in einem Einführungskurs in die Chemie typischerweise vorkommen. Sie trifft jedoch nicht immer zu (z. B. ist Aluminiumchlorid, AlCl3, nicht ionisch).

Ionische Verbindungen erkennt man oft an ihren Eigenschaften. Ionische Verbindungen sind Feststoffe, die normalerweise bei hohen Temperaturen schmelzen und bei noch höheren Temperaturen sieden. Zum Beispiel schmilzt Natriumchlorid bei 801 °C und siedet bei 1413 °C. (Zum Vergleich: Die Molekülverbindung Wasser schmilzt bei 0 °C und siedet bei 100 °C.) In fester Form ist eine Ionenverbindung nicht elektrisch leitfähig, da ihre Ionen nicht fließen können (Elektrizität“ ist der Fluss geladener Teilchen). In geschmolzenem Zustand kann sie jedoch Strom leiten, weil sich ihre Ionen frei durch die Flüssigkeit bewegen können (Abbildung 3).

Abbildung 3. Natriumchlorid schmilzt bei 801 °C und leitet Strom, wenn es geschmolzen ist. (credit: modification of work by Mark Blaser and Matt Evans)

In jeder ionischen Verbindung ist die Gesamtzahl der positiven Ladungen der Kationen gleich der Gesamtzahl der negativen Ladungen der Anionen. Daher sind ionische Verbindungen insgesamt elektrisch neutral, auch wenn sie positive und negative Ionen enthalten. Diese Beobachtung kann uns dabei helfen, die Formel einer ionischen Verbindung zu schreiben. Die Formel einer ionischen Verbindung muss ein solches Verhältnis von Ionen aufweisen, dass die Anzahl der positiven und negativen Ladungen gleich ist.

Beispiel 3: Vorhersage der Formel einer ionischen Verbindung

Der Edelstein Saphir (Abbildung 4) ist hauptsächlich eine Verbindung aus Aluminium und Sauerstoff, die Aluminiumkationen, Al3+, und Sauerstoffanionen, O2-, enthält. Wie lautet die Formel dieser Verbindung?

Abbildung 4. Obwohl reines Aluminiumoxid farblos ist, verleihen Spuren von Eisen und Titan dem blauen Saphir seine charakteristische Farbe. (credit: modification of work by Stanislav Doronenko)

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Da die ionische Verbindung elektrisch neutral sein muss, muss sie die gleiche Anzahl an positiven und negativen Ladungen haben. Zwei Aluminium-Ionen mit der Ladung 3+ ergeben sechs positive Ladungen, drei Oxid-Ionen mit der Ladung 2- ergeben sechs negative Ladungen. Die Formel wäre Al2O3.

Kontrolliere dein Wissen

Bestimme die Formel der ionischen Verbindung, die sich zwischen dem Natriumkation Na+ und dem Sulfidanion S2- bildet.

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Na2S

Viele ionische Verbindungen enthalten mehratomige Ionen (Tabelle 1) als Kation, als Anion oder beides. Wie bei einfachen ionischen Verbindungen müssen auch diese Verbindungen elektrisch neutral sein, so dass ihre Formeln vorhergesagt werden können, indem die mehratomigen Ionen als diskrete Einheiten behandelt werden. Wir verwenden Klammern in einer Formel, um eine Gruppe von Atomen zu kennzeichnen, die sich als eine Einheit verhalten. Die Formel für Kalziumphosphat, eines der Mineralien in unseren Knochen, lautet zum Beispiel Ca3(PO4)2. Diese Formel bedeutet, dass auf zwei Phosphatgruppen drei Calciumionen (Ca2+) kommen. Die {\text{PO}}_{4}{}^{3-}-Gruppen sind diskrete Einheiten, die jeweils aus einem Phosphoratom und vier Sauerstoffatomen bestehen und eine Gesamtladung von 3 haben. Die Verbindung ist elektrisch neutral, und ihre Formel zeigt eine Gesamtzahl von drei Ca-, zwei P- und acht O-Atomen.

Da eine ionische Verbindung nicht aus einzelnen, diskreten Molekülen besteht, kann sie nicht durch eine Summenformel symbolisiert werden. Stattdessen müssen ionische Verbindungen durch eine Formel symbolisiert werden, die die relative Anzahl der Kationen angibt, aus denen sie bestehen. Für Verbindungen, die nur einatomige Ionen enthalten (z. B. NaCl), und für viele Verbindungen, die mehratomige Ionen enthalten (z. B. CaSO4), sind diese Formeln einfach die empirischen Formeln, die weiter oben in diesem Kapitel vorgestellt wurden. Die Formeln für einige ionische Verbindungen, die mehratomige Ionen enthalten, sind jedoch keine empirischen Formeln. Zum Beispiel besteht die ionische Verbindung Natriumoxalat aus Na+ und {\text{C}}_{2}{\text{O}}_{4}{}^{2-} Ionen im Verhältnis 2:1, und ihre Formel wird als Na2C2O4 geschrieben. Die Indizes in dieser Formel sind nicht die kleinstmöglichen ganzen Zahlen, da jeder durch 2 geteilt werden kann, um die empirische Formel NaCO2 zu erhalten. Dies ist jedoch nicht die akzeptierte Formel für Natriumoxalat, da sie das mehratomige Anion der Verbindung, {\text{C}}_{2}{\text{O}}_{4}{}^{2-}, nicht genau wiedergibt.

Molekulare Verbindungen

Viele Verbindungen enthalten keine Ionen, sondern bestehen nur aus einzelnen, neutralen Molekülen. Diese molekularen Verbindungen (kovalente Verbindungen) entstehen, wenn Atome Elektronen austauschen, anstatt sie zu übertragen (zu gewinnen oder zu verlieren). Die kovalente Bindung ist ein wichtiges und umfassendes Konzept in der Chemie, das in einem späteren Kapitel dieses Textes sehr ausführlich behandelt wird. Wir können molekulare Verbindungen oft anhand ihrer physikalischen Eigenschaften identifizieren. Unter normalen Bedingungen liegen molekulare Verbindungen oft als Gase, niedrig siedende Flüssigkeiten und niedrig schmelzende Feststoffe vor, obwohl es viele wichtige Ausnahmen gibt.

Während ionische Verbindungen in der Regel durch die Kombination eines Metalls und eines Nichtmetalls entstehen, werden kovalente Verbindungen in der Regel durch eine Kombination von Nichtmetallen gebildet. Daher kann uns das Periodensystem helfen, viele kovalente Verbindungen zu erkennen. Anhand der Position der Elemente einer Verbindung im Periodensystem können wir zwar vorhersagen, ob es sich um eine ionische oder kovalente Verbindung handelt, aber Sie sollten sich darüber im Klaren sein, dass dies ein sehr vereinfachter Ansatz ist, der eine Reihe interessanter Ausnahmen nicht berücksichtigt. Es gibt Grautöne zwischen ionischen und molekularen Verbindungen, über die du später mehr erfahren wirst.

Glossar

Kovalente Bindung: Anziehungskraft zwischen den Atomkernen eines Moleküls und Elektronenpaaren zwischen den Atomen

Kovalente Verbindung: (auch: molekulare Verbindung), die aus Molekülen besteht, die aus Atomen zweier oder mehrerer verschiedener Elemente gebildet werden

ionische Bindung: elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den entgegengesetzt geladenen Ionen einer ionischen Verbindung

ionische Verbindung: Verbindung, die aus Kationen und Anionen besteht, die im Verhältnis zueinander eine elektrisch neutrale Substanz ergeben

molekulare Verbindung: (auch kovalente Verbindung), die aus Molekülen besteht, die aus Atomen von zwei oder mehr verschiedenen Elementen gebildet werden

monatomares Ion: Ion, das aus einem einzigen Atom besteht

Oxanion: polyatomares Anion, das aus einem Zentralatom besteht, das an Sauerstoffatome gebunden ist

polyatomares Ion: Ion, das aus mehr als einem Atom besteht