In den gewöhnlichen chemischen Reaktionen, der Kern jedes atoms (und damit die Identität des Elements) bleibt unverändert., Elektronen können jedoch zu Atomen hinzugefügt werden, indem sie von anderen Atomen übertragen werden, durch Übertragung auf andere Atome verloren gehen oder mit anderen Atomen geteilt werden. Der Transfer und die gemeinsame Nutzung von Elektronen zwischen Atomen bestimmen die Chemie der Elemente. Während der Bildung einiger Verbindungen gewinnen oder verlieren Atome Elektronen und bilden elektrisch geladene Teilchen, sogenannte Ionen (Abbildung 1).

Sie können das Periodensystem verwenden, um vorherzusagen, ob ein Atom ein Anion oder ein Kation bildet, und Sie können oft die Ladung des resultierenden Ions vorhersagen., Atome vieler Hauptgruppenmetalle verlieren genügend Elektronen, um sie mit der gleichen Anzahl von Elektronen wie ein Atom des vorhergehenden Edelgases zu belassen. Zur Veranschaulichung verliert ein Atom eines Alkalimetalls (Gruppe 1) 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. Zum Beispiel verliert ein neutrales Calciumatom mit 20 Protonen und 20 Elektronen leicht zwei Elektronen. Dies führt zu einem Kation mit 20 Protonen, 18 Elektronen und einer 2+ Ladung., Es hat die gleiche Anzahl von Elektronen wie Atome des vorhergehenden Edelgases Argon und ist symbolisiert \text{Ca}^{2+}. Der Name eines Metallions ist derselbe wie der Name des Metallatoms, aus dem es sich bildet, daher wird \text{Ca}^{2+} als Calciumion bezeichnet.

Wenn Atome von nichtmetallischen Elementen Ionen bilden, gewinnen sie im Allgemeinen genügend Elektronen, um ihnen die gleiche Anzahl von Elektronen wie ein Atom des nächsten Edelgases im Periodensystem zu geben. 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 und so weiter., Zum Beispiel kann das neutrale Bromatom mit 35 Protonen und 35 Elektronen ein Elektron gewinnen, um es mit 36 Elektronen zu versorgen. Dies führt zu einem Anion mit 35 Protonen, 36 Elektronen und einer 1− Ladung. Es hat die gleiche Anzahl von Elektronen wie Atome des nächsten Edelgases, Krypton, und ist symbolisiert \text{Br}^{-}. (Eine Diskussion der Theorie der Unterstützung des bevorzugten status der Edelgas-Elektronen-zahlen spiegeln sich in diesen prädiktiven Regeln für die Ionen-Bildung bereitgestellt wird, in einem späteren Modul dieses Textes.,)

Beachten Sie die Nützlichkeit des Periodensystems bei der Vorhersage der wahrscheinlichen Ionenbildung und Ladung (Abbildung 2). Wenn Sie sich im Periodensystem von ganz links nach rechts bewegen, neigen 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. Elemente, die sich im Periodensystem von ganz rechts nach links bewegen, bilden häufig Anionen mit einer negativen Ladung, die der Anzahl der Gruppen entspricht, die sich von den Edelgasen nach links bewegen., Zum Beispiel bilden Gruppe 17 Elemente (eine Gruppe links von den Edelgasen) 1− Ionen; Gruppe 16 Elemente (zwei Gruppen links) bilden 2− Ionen und so weiter. Dieser Trend kann in vielen Fällen als Leitfaden verwendet werden, aber sein Vorhersagewert nimmt ab, wenn er sich in Richtung der Mitte des Periodensystems bewegt. Tatsächlich weisen Übergangsmetalle und einige andere Metalle häufig variable Ladungen auf, die aufgrund ihrer 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, werden als einatomige Ionen bezeichnet, dh sie sind Ionen, die nur aus einem Atom gebildet werden. Wir finden auch viele polyatomare Ionen. Diese Ionen, die als diskrete Einheiten wirken, sind elektrisch geladene Moleküle (eine Gruppe von gebundenen Atomen mit einer Gesamtladung)., Einige der wichtigeren polyatomaren Ionen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Oxyanionen sind mehratomige Ionen, die ein oder mehrere Sauerstoffatome enthalten. An diesem Punkt in Ihrem Studium der Chemie sollten Sie sich die Namen, Formeln und Ladungen der häufigsten polyatomaren Ionen merken. Weil Sie sie wiederholt verwenden werden, werden sie bald vertraut werden.

Die Art der Anziehungskräfte, die Atome oder Ionen innerhalb einer Verbindung zusammenhalten, ist die Grundlage für die Klassifizierung der chemischen Bindung. Wenn Elektronen übertragen werden und sich Ionen bilden, entstehen Ionenbindungen., Ionische Bindungen sind elektrostatische Anziehungskräfte, dh die Anziehungskräfte, die zwischen Objekten entgegengesetzter elektrischer Ladung (in diesem Fall Kationen und Anionen) auftreten. 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 aufgrund 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), tritt normalerweise eine Übertragung von Elektronen auf und erzeugt Ionen. Die durch diesen Transfer gebildete Verbindung wird durch die elektrostatischen Anziehungen (Ionenbindungen) zwischen den in der Verbindung vorhandenen Ionen entgegengesetzter Ladung stabilisiert., Zum Beispiel, wenn jedes Natriumatom in einer Probe von Natriummetall (Gruppe 1) ein Elektron aufgibt, um ein Natriumkation zu bilden, Na+, und jedes Chloratom in einer Probe von Chlorgas (Gruppe 17) akzeptiert ein Elektron, um ein Chloridanion zu bilden, Cl−, die resultierende Verbindung, NaCl, besteht aus Natriumionen und Chloridionen im Verhältnis von einem Na+ Ion für jedes Cl− Ion. In ähnlicher Weise kann jedes Calciumatom (Gruppe 2) zwei Elektronen abgeben und eines auf jedes von zwei Chloratomen übertragen, um CaCl2 zu bilden, das aus Ca2+− und Cl− Ionen im Verhältnis eines Ca2+ – Ions zu zwei Cl-Ionen besteht.,

Eine Verbindung, die Ionen enthält und durch Ionenbindungen zusammengehalten wird, wird als ionische Verbindung bezeichnet. Das Periodensystem kann uns helfen, viele der Verbindungen zu erkennen, die ionisch sind: Wenn ein Metall mit einem oder mehreren Nichtmetallen kombiniert wird, ist die Verbindung normalerweise ionisch. Diese Richtlinie eignet sich gut zur Vorhersage der Bildung ionischer Verbindungen für die meisten Verbindungen, die typischerweise in einem einleitenden Chemiekurs auftreten. Es ist jedoch nicht immer wahr (zum Beispiel ist Aluminiumchlorid, AlCl3, nicht ionisch).

Sie können ionische Verbindungen aufgrund ihrer Eigenschaften oft erkennen., Ionische Verbindungen sind Feststoffe, die typischerweise bei hohen Temperaturen schmelzen und bei noch höheren Temperaturen kochen. Zum Beispiel schmilzt Natriumchlorid bei 801 °C und kocht bei 1413 °C. (Zum Vergleich: Die molekulare Verbindung Wasser schmilzt bei 0 °C und kocht bei 100 °C.) In fester Form ist eine ionische Verbindung nicht elektrisch leitfähig, da ihre Ionen nicht fließen können („Elektrizität“ ist der Fluss geladener Teilchen). Wenn es jedoch geschmolzen ist, kann es Elektrizität leiten, da sich seine Ionen frei durch die Flüssigkeit bewegen können (Abbildung 3).

Abbildung 3., Natriumchlorid schmilzt bei 801 °C und leitet Strom, wenn es geschmolzen ist. (kredit: Änderung der Arbeit von Mark Blaser und Matt Evans)

In jeder Ionenverbindung entspricht die Gesamtzahl der positiven Ladungen der Kationen der Gesamtzahl der negativen Ladungen der Anionen. Somit sind ionische Verbindungen insgesamt elektrisch neutral, obwohl sie positive und negative Ionen enthalten. Wir können diese Beobachtung verwenden, um die Formel einer ionischen Verbindung zu schreiben. Die Formel einer ionischen Verbindung muss ein Verhältnis von Ionen haben, so dass die Anzahl der positiven und negativen Ladungen gleich ist.,

Beispiel 3: Vorhersage der Formel einer ionischen Verbindung

Der Edelsteinsaphir (Abbildung 4) ist meist eine Verbindung aus Aluminium und Sauerstoff, die Aluminiumkationen, Al3+ und Sauerstoffanionen, O2−enthält. Was ist die Formel dieser Verbindung?

Abbildung 4. Obwohl reines Aluminiumoxid farblos ist, verleihen Spuren von Eisen und Titan blauem Saphir seine charakteristische Farbe., (credit: Änderung der Arbeit von Stanislav Doronenko)

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Da die ionische Verbindung elektrisch neutral sein muss, muss sie die gleiche Anzahl positiver und negativer Ladungen haben. Zwei Aluminiumionen, jede mit einer Ladung von 3+, würden uns sechs positive Ladungen geben, und drei Oxidionen, jede mit einer Ladung von 2−, würden uns sechs negative Ladungen geben. Die Formel wäre Al2O3.,

Überprüfen Sie Ihr Lernen

Sagen Sie die Formel der ionischen Verbindung voraus, die zwischen dem Natriumkation Na+ und dem Sulfidanion S2-gebildet wird.

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Na2S

Molekulare Verbindungen

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

Während ionische Verbindungen gewöhnlich gebildet werden, wenn sich ein Metall und ein Nichtmetall verbinden, werden kovalente Verbindungen gewöhnlich durch eine Kombination von Nichtmetallen gebildet. Somit kann das Periodensystem uns helfen, viele der kovalenten Verbindungen zu erkennen., Während wir die Positionen der Elemente einer Verbindung im Periodensystem verwenden können, um vorherzusagen, ob sie zu diesem Zeitpunkt in unserem Chemiestudium ionisch oder kovalent ist, sollten Sie sich bewusst sein, dass dies ein sehr simpler Ansatz ist, der nicht berücksichtigt eine Reihe interessanter Ausnahmen. Grautöne existieren zwischen ionischen und molekularen Verbindungen, und Sie werden später mehr darüber erfahren.,