Ionen, Ionenverbindungen und die Edelgasregel einfach erklärt

Natrium ist ein Metall, das bei Kontakt mit Wasser sofort explodiert. Chlor ist ein giftiges, stechend riechendes grünes Gas. Doch wenn diese beiden gefährlichen Stoffe miteinander reagieren, entsteht etwas völlig Harmloses, das wir jeden Tag essen: normales Speisesalz für unsere Pommes frites!

Wie ist es möglich, dass aus zwei so extremen Stoffen ein lebenswichtiges Gewürz wird? Das Geheimnis liegt in winzigen Teilchen, die hin und her wandern. In diesem Artikel lernst du alles über Ionen, Ionenverbindungen und die Edelgasregel und erfährst, wie Atome sich verwandeln und zu völlig neuen Stoffen verbinden.

Vorwissen

• Das Schalenmodell: Atome bestehen aus einem Kern und Elektronen, die sich in Schalen darum bewegen. Die Elektronen auf der äußersten Schale nennt man Außenelektronen (oder Valenzelektronen).

  Beispiel: Ein Natrium-Atom hat genau 1 Außenelektron auf seiner letzten Schale.

• Metalle und Nichtmetalle: Das Periodensystem ist grob in zwei Bereiche unterteilt: Metalle stehen eher links, Nichtmetalle stehen rechts.

  Beispiel: Magnesium ist ein Metall, Sauerstoff ist ein Nichtmetall.

Aufgabentyp 1: Ionenladungen und Salze bestimmen

Um zu verstehen, wie Salze entstehen, müssen wir uns ansehen, wie aus Atomen geladene Ionen werden. Atome sind normalerweise elektrisch neutral. Sie können jedoch Elektronen abgeben oder aufnehmen. Wenn das passiert, sind sie nicht mehr neutral, sondern elektrisch geladen. Diese geladenen Teilchen nennt man Ionen.

Metalle fungieren bei Reaktionen als Elektronenspender (Donatoren). Sie geben ihre Außenelektronen ab. Da Elektronen negativ geladen sind, verliert das Metall negative Ladung und bleibt positiv geladen zurück. Diese positiv geladenen Ionen nennt man Kationen. Um sie zu benennen, hängt man einfach das Wort "-Ion" an den Namen des Metalls an.

Beispiel für die Bildung eines Natrium-Kations:

$\textcolor{#08BFFF}{\text{Na}} \to \textcolor{#08BFFF}{\text{Na}^+} + \textcolor{#9570FF}{\text{e}^-}$

Nichtmetalle fungieren hingegen als Elektronenempfänger (Akzeptoren). Sie nehmen die Elektronen auf. Durch diese zusätzliche negative Ladung werden sie negativ geladen. Diese negativ geladenen Ionen nennt man Anionen. Um sie zu benennen, hängt man die Endung "-id-Ion" an den Namen des Nichtmetalls an.

Beispiel für die Bildung eines Chlorid-Anions:

$\textcolor{#53E5D6}{\text{Cl}} + \textcolor{#9570FF}{\text{e}^-} \to \textcolor{#53E5D6}{\text{Cl}^-}$

Was passiert nun, wenn ein Metall und ein Nichtmetall aufeinandertreffen? Es kommt zu einer chemischen Reaktion, bei der die Elektronen direkt übertragen werden. Diese Reaktionen sind oft stark exotherm, das heißt, sie setzen viel Energie in Form von Licht und Wärme frei.

Wichtiges Wissen: Bei der Reaktion eines Metalls mit einem Nichtmetall geben die Metall-Atome Elektronen ab, und die Nichtmetall-Atome nehmen Elektronen auf. Es entsteht ein Salz.

Das Ergebnis dieser Elektronenübertragung ist ein Stoff, der aus unzähligen positiven Kationen und negativen Anionen besteht.

Wichtiges Wissen: Salze bestehen aus Kationen und Anionen; sie sind Ionenverbindungen.

Die Benennung eines Salzes ist ganz einfach: Man nennt zuerst das Kation und dann das Anion, lässt aber das Wort "-Ion" am Ende weg. Wenn sich also ein Natrium-Ion und ein Chlorid-Ion verbinden, heißt das fertige Salz einfach Natriumchlorid.

Warum geben Atome überhaupt Elektronen ab oder nehmen sie auf? Das Ziel jedes Atoms ist es, besonders stabil zu sein. Die stabilsten Elemente im Periodensystem sind die Edelgase (die 8. Hauptgruppe). Sie haben eine voll besetzte Außenschale mit genau 8 Elektronen. Das nennt man ein Elektronenoktett.

Merksatz: Kationen und Anionen in Salzen besitzen oft die gleiche Elektronenkonfiguration wie Edelgasatome. Dieser Zusammenhang wird als Edelgasregel bezeichnet.

Atome geben so lange Elektronen ab oder nehmen sie auf, bis sie diese magische Zahl von 8 Außenelektronen erreichen. Wir können die Ladung eines Ions ganz einfach vorhersagen, indem wir auf die Hauptgruppe im Periodensystem schauen:

• 1. Hauptgruppe: Metalle geben 1 Elektron ab $\to$ Ladung +1 (z. B. $\text{Na} \to \text{Na}^+ + \text{e}^-$)
• 2. Hauptgruppe: Metalle geben 2 Elektronen ab $\to$ Ladung +2 (z. B. $\text{Mg} \to \text{Mg}^{2+} + 2 \text{ e}^-$)
• 3. Hauptgruppe: Metalle geben 3 Elektronen ab $\to$ Ladung +3 (z. B. $\text{Al} \to \text{Al}^{3+} + 3 \text{ e}^-$)
• 6. Hauptgruppe: Nichtmetalle nehmen 2 Elektronen auf $\to$ Ladung -2 (z. B. $\text{S} + 2 \text{ e}^- \to \text{S}^{2-}$)
• 7. Hauptgruppe (Halogene): Nichtmetalle nehmen 1 Elektron auf $\to$ Ladung -1 (z. B. $\text{Cl} + \text{e}^- \to \text{Cl}^-$). Die Anionen dieser Gruppe nennt man allgemein Halogenid-Ionen.

Hier ist eine Übersicht der wichtigsten Ionen, die du kennen solltest:

$\begin{array}{l|l} \textbf{Häufige Kationen} & \textbf{Häufige Anionen} \\ \hline \text{Lithium-Ion } (\text{Li}^+) & \text{Fluorid-Ion } (\text{F}^-) \\ \text{Natrium-Ion } (\text{Na}^+) & \text{Chlorid-Ion } (\text{Cl}^-) \\ \text{Kalium-Ion } (\text{K}^+) & \text{Bromid-Ion } (\text{Br}^-) \\ \text{Magnesium-Ion } (\text{Mg}^{2+}) & \text{Iodid-Ion } (\text{I}^-) \\ \text{Calcium-Ion } (\text{Ca}^{2+}) & \text{Oxid-Ion } (\text{O}^{2-}) \\ \text{Aluminium-Ion } (\text{Al}^{3+}) & \text{Sulfid-Ion } (\text{S}^{2-}) \end{array}$

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Hauptgruppen im Periodensystem finden: Finde heraus, in welcher Hauptgruppe das Metall und das Nichtmetall stehen.
2. Elektronenübergang und Ionen bestimmen: Nutze die Hauptgruppe, um zu entscheiden, wie viele Elektronen abgegeben (Metall) oder aufgenommen (Nichtmetall) werden, um 8 Außenelektronen zu erreichen. Notiere die Ionen mit ihrer Ladung.
3. Das Salz benennen: Setze den Namen des Metalls und den Namen des Nichtmetalls mit der Endung "-id" zusammen. Lass das Wort "-Ion" weg.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Metalle geben Elektronen ab und werden zu positiv geladenen Kationen.
• Nichtmetalle nehmen Elektronen auf und werden zu negativ geladenen Anionen (Endung "-id").
• Salze sind Ionenverbindungen, die aus Kationen und Anionen bestehen.
• Edelgasregel: Atome nehmen Elektronen auf oder geben sie ab, um eine volle Außenschale mit 8 Elektronen (Oktett) zu erreichen.