2.4: Ionen und Ionenladungen

Bei gewöhnlichen chemischen Reaktionen bleibt der Kern – der die Protonen und Neutronen jedes Atoms enthält und somit das Element identifiziert – unverändert. Elektronen können jedoch durch Übertragung von anderen Atomen zu Atomen hinzugefügt werden, durch Übertragung auf andere Atome verloren gehen oder mit anderen Atomen geteilt werden. Die Übertragung und Verteilung von Elektronen zwischen Atomen bestimmt die Chemie der Elemente. Bei der Bildung einiger Verbindungen nehmen Atome Elektronen auf oder verlieren sie, um elektrisch geladene Teilchen, sogenannte Ionen, zu bilden.

Wenn ein Atom Elektronen verliert, bildet es ein positives Ion, ein sogenanntes Kation. Kationen haben mehr Protonen als Elektronen. Wenn ein Atom Elektronen aufnimmt, bildet es ein negatives Ion, ein sogenanntes Anion. Anionen haben mehr Elektronen als Protonen.

Das Periodensystem hilft dabei, vorherzusagen, ob ein Atom ein Anion oder ein Kation bildet, und auch die Ladung des resultierenden Ions. Wenn man sich im Periodensystem von ganz links nach rechts bewegt, verlieren Atome von Hauptgruppenmetallen so viele Elektronen, dass sie über die gleiche Anzahl an Elektronen verfügen wie ein Atom des vorhergehenden Edelgases. Sie bilden Kationen mit einer Ladung, die der Gruppennummer entspricht. Zur Veranschaulichung: Ein Atom eines Alkalimetalls (Gruppe 1) verliert ein Elektron und bildet ein Kation mit der Ladung 1+; Ein Erdalkalimetall (Gruppe 2) verliert zwei Elektronen und bildet ein Kation mit der Ladung 2+ und so weiter. Beispielsweise 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 Ladung von 2+. Es hat die gleiche Anzahl an Elektronen wie Atome des vorangehenden Edelgases Argon und wird als Ca²⁺ symbolisiert. Der Name eines Metallions ist derselbe wie der Name des Metallatoms, aus dem es entsteht, daher wird Ca²⁺ als Calciumion bezeichnet.

Wenn man sich im Periodensystem von ganz rechts nach links bewegt, nehmen Atome nichtmetallischer Elemente im Allgemeinen genügend Elektronen auf, um ihnen die gleiche Anzahl an Elektronen zu verleihen wie ein Atom des nächsten Edelgases im Periodensystem. Sie bilden Anionen mit einer negativen Ladung, die der Anzahl der aus den Edelgasen nach links bewegten Gruppen entspricht. Beispielsweise gewinnen Atome von Elementen der Gruppe 17 (eine Gruppe links von den Edelgasen) ein Elektron und bilden Anionen mit einer 1−-Ladung; Atome von Elementen der Gruppe 16 (zwei Gruppen übrig) gewinnen zwei Elektronen und bilden Ionen mit einer 2−-Ladung und so weiter. Beispielsweise kann das neutrale Bromatom mit 35 Protonen und 35 Elektronen ein Elektron aufnehmen, um ihm 36 Elektronen zu verleihen. Dies führt zu einem Anion mit 35 Protonen, 36 Elektronen und einer 1−-Ladung. Es hat die gleiche Anzahl an Elektronen wie Atome des nächsten Edelgases Krypton und wird mit Br⁻ symbolisiert.

Der Trend zwischen der Ladung des Ions und der Position der Gruppe im Periodensystem kann in vielen Fällen als Anhaltspunkt dienen. Allerdings nimmt sein Vorhersagewert ab, wenn man sich zur Mitte des Periodensystems bewegt. Übergangsmetalle und einige andere Metalle weisen häufig variable Ladungen auf, die anhand ihrer Position in der Tabelle nicht vorhersehbar sind. Beispielsweise kann Kupfer Ionen mit einer Ladung von 1+ oder 2+ bilden, und Eisen kann Ionen mit einer Ladung von 2+ oder 3+ bilden.

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Atome sind neutrale Teilchen mit gleicher Anzahl von Protonen und Elektronen. Ein Element wird durch die Anzahl der Protonen definiert, die sich nicht ändert;jedoch können viele Atome ein oder mehrere Elektronen gewinnen oder verlieren, um ein geladenes Teilchen zu werden. Wenn ein Atom oder Molekül Elektronen gewinnt oder verliert, wird es als Ion bezeichnet.

Da Elektronen eine viel geringere Masse als Protonen haben, tragen sie nicht wesentlich zur Atommasse bei. Daher ist die Atommasse eines Ions im Wesentlichen gleich der Atommasse des neutralen Atoms. Wenn Atome oder Moleküle Elektronen verlieren, werden sie Kationen genannt.

Kationen haben eine positive Ladung, weil sie mehr positiv geladene Protonen haben als negativ geladene Elektronen. Kationen erhalten den gleichen Namen wie ihr Element, gefolgt von dem Wort Ion. Ein Calciumatom hat 20 Protonen und 20 Elektronen.

Es verliert zwei Elektronen, um ein Calciumion mit 20 Protonen und 18 Elektronen zu werden. Da es nun zwei positive Ladungen mehr als negative Ladungen hat, hat es eine positive Gesamtladung mit zwei positiven Ladungen. Das chemische Symbol für ein Ion wird als chemisches Symbol des Atoms mit der Ladung an der rechten hochgestellten Position geschrieben.

Das chemische Symbol für ein Calciumion wird daher als Ca zwei plus geschrieben. Wenn Atome oder Moleküle Elektronen erhalten, werden sie Anionen genannt. Anionen haben eine negative Ladung, weil sie mehr Elektronen als Protonen haben.

Anionen werden durch Hinzufügen des Suffixes ide zu ihrem Elementnamen benannt. Ein Fluoratom hat 9 Protonen und 9 Elektronen. Wenn Fluor ein Elektron gewinnt wird es zu einem Fluoridion mit 9 Protonen und 10 Elektronen.

Da es nun eine negative Ladung mehr hat als positive Ladungen, hat es eine negative Gesamtladung. Das chemische Symbol für Fluorid wird als F minus geschrieben. Bei Ionen mit einer positiven oder negativen Einzelladung wird die Eins normalerweise weggelassen.

Atome verlieren oder gewinnen eine bestimmte Anzahl von Elektronen, wenn sie ein Ion bilden. Viele Ladungen der Ionen, die von den Hauptgruppenelementen gebildet werden, lassen sich anhand des Periodensystems vorhersagen. Die Metalle, die sich auf der linken Seite des Periodensystems befinden, werden Elektronen verlieren.

Alkalimetalle der Gruppe 1 verlieren alle ein Elektron und haben eine positive Einzelladung, wenn sie zu einem Ion werden. Erdalkalimetalle der Gruppe 2 verlieren zwei Elektronen und haben zwei positive Ladungen. Die Nichtmetalle auf der rechten Seite des Periodensystems gewinnen Elektronen.

Halogene der Gruppe 17 gewinnen ein Elektron und haben eine negative eine Ladung. Elemente der Gruppe 16 erhalten zwei Elektronen und haben zwei negative Ladungen. Viele Übergangsmetalle können Kationen mit unterschiedlichen Ladungen bilden.

Edelgase der Gruppe 18 bilden im Allgemeinen keine Ionen.