Einführende Chemie

In gewöhnlichen chemischen Reaktionen bleibt der Kern jedes Atoms (und damit die Identität des Elements) unverändert. Elektronen können den Atomen jedoch durch Übertragung von anderen Atomen hinzugefügt werden, durch Übertragung auf andere Atome verloren gehen oder mit anderen Atomen geteilt werden. 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.

Anhand 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 Hauptgruppenmetalle 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 haben wie ein Atom des nächsten Edelgases im Periodensystem. 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 Erörterung der Theorie, die den bevorzugten Status der Edelgas-Elektronenzahl, der sich in diesen Vorhersageregeln für die Ionenbildung widerspiegelt, untermauert, 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 usw. 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 ionischen Ladung auf, wenn sie Ionen bilden.

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 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 kann man 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 (Aluminiumchlorid, AlCl3, ist zum Beispiel 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 Elektrizität 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: Modifikation einer Arbeit von Mark Blaser und Matt Evans)

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 Kernen der Atome eines Moleküls und den Elektronenpaaren zwischen den Atomen

Kovalente Verbindung: (auch molekulare Verbindung), die aus Molekülen besteht, die von 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 in Verhältnissen kombiniert sind, die einen elektrisch neutralen Stoff 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