Chapter 3: Molecules, Compounds, and Chemical Equations

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3.4:

Klassifizierung von Elementen und Verbindungen

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Chemistry

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Classification of Elements and Compounds

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3.5: Ionic Compounds: Formulas and Nomenclature

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In der Natur kommen reine Stoffe entweder als Elemente oder als Verbindungen vor. Abhängig von der Grundeinheit existieren Elemente entweder in atomarer oder molekularer Form, während Verbindungen entweder als molekular oder ionisch unterteilt werden können. Atomare Elemente haben einzelne Atome als ihre Grundeinheiten.Helium, Gold und Eisen sind Beispiele für monoatomare Elemente, die als stabile einzelne Atome existieren können. Molekulare Elemente hingegen enthalten zwei oder mehr miteinander verbundene Atome, die als Grundeinheit ein Molekül bilden. Zweiatomiger Wasserstoff mit zwei Wasserstoffatomen und mehratomiger Schwefel mit acht Schwefelatomen sind Beispiele für molekulare Elemente.Im Vergleich zu molekularen Elementen entstehen molekulare Verbindungen, wenn sich Atome von zwei oder mehr nichtmetallischen Elementen verbinden, indem sie sich die Valenzelektronen durch kovalente Bindungen teilen. Die Kombination senkt die gesamte potentielle Energie des Systems und treibt dadurch die Bildung eines stabilen Moleküls voran. Daher sind die Grundeinheiten einer molekularen Verbindung definierte Moleküle, die aus verschiedenen Atomen bestehen.Ethanol ist eine molekulare Verbindung, die Grundeinheiten aus verschiedenen Ethanol Molekülen enthält, die aus zwei Kohlenstoff-sechs Wasserstoff-und einem Sauerstoffatom bestehen. Ionische Verbindungen entstehen, wenn sich Atome von metallischen Elementen mit Atomen eines oder mehrerer nichtmetallischer Elemente verbinden. Die Metallatome verlieren leicht ihre Valenzelektronen und bilden positiv geladene Kationen, während die Nichtmetallatome Elektronen gewinnen und negativ geladene Anionen bilden.Starke elektrostatische Anziehungskräfte oder ionische Bindungen werden zwischen den entgegengesetzt geladenen Ionen gebildet, wodurch die Gesamtenergie des Systems gesenkt und der Aufbau stabiler, geordneter, dreidimensionaler Ionengitterstrukturen vorangetrieben wird. Die kleinste Anordnung von Ionen, die elektrisch neutrale Grundeinheiten einer ionischen Verbindung bilden, wird als Formeleinheit bezeichnet. Tafelsalz ist eine ionische Verbindung mit der Formeleinheit NaCl, die eine abwechselnde dreidimensionale Anordnung von Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen enthält.Viele ionische Verbindungen sind jedoch aus Ionen zusammengesetzt, die nicht singulär sind, wie Natrium-oder Chlorid-Ionen, sondern aus mehreren kovalent gebundenen Atomen mit einer negativen oder positiven Nettoladung bestehen so genannte polyatomare Ionen. Zum Beispiel besteht Natriumacetat aus positiv geladenen Natrium-Ionen und mehratomigen Acetat-Ionen, die eine negative Nettoladung tragen.

3.4:

Klassifizierung von Elementen und Verbindungen

Pure substances consist of only one type of matter. A pure substance can be an element or a compound. An element consists of only one type of atom, while a compound consists of two or more types of atoms held together by a chemical bond. Elements are classified as atomic or molecular based on the nature of their basic units.

Compounds are pure substances composed of two or more elements in fixed, definite proportions. Compounds are classified as ionic or molecular (covalent) based on the bonds present in them.

Molecular Compounds

Molecular compounds (or covalent compounds) result when two or more different nonmetal atoms share electrons to form covalent bonds. The basic units of molecular compounds are discrete neutral molecules composed of different constituent atoms. For example, the molecular compound carbon monoxide is composed of CO molecules containing covalently bonded carbon and oxygen atoms. Similarly, methanol contains CH₃OH molecules as base units, constituting one carbon atom, one oxygen atom, and four hydrogen atoms, all of which are covalently connected.

Molecular compounds can be identified based on their physical properties. Under normal conditions, molecular compounds often exist as gases, low-boiling liquids, and low-melting solids, although exceptions exist.

Ionic Compounds

When an element composed of atoms that readily lose electrons (a metal) reacts with an element composed of atoms that readily gain electrons (a nonmetal), a transfer of electrons usually occurs, producing ions. The compound formed by this transfer is stabilized by the electrostatic attractions (ionic bonds) between the ions of opposite charge present in the compound. For example, when each sodium atom in a sample of sodium metal (group 1) gives up one electron to form a sodium cation, Na⁺, and each chlorine atom in a sample of chlorine gas (group 17) accepts one electron to form a chloride anion, Cl⁻, the resulting compound, NaCl, is composed of sodium ions and chloride ions in the ratio of one Na⁺ ion for each Cl⁻ ion.

A compound that contains ions and is held together by ionic bonds is called an ionic compound. Ionic compounds are solids that typically melt at high temperatures and boil at even higher temperatures. In solid form, an ionic compound is not electrically conductive because its ions are unable to flow. When molten, however, it can conduct electricity because its ions can move freely through the liquid.

In every ionic compound, the total number of positive charges of the cations equals the total number of negative charges of the anions. Thus, ionic compounds are electrically neutral overall, even though they contain positive and negative ions.

Many ionic compounds contain polyatomic ions as the cation, the anion, or both. As with simple ionic compounds, these compounds must also be electrically neutral, so their formulas can be predicted by treating the polyatomic ions as discrete units. We use parentheses in a formula to indicate a group of atoms that behave as a unit. For example, the formula for calcium phosphate, one of the minerals in our bones, is Ca₃(PO₄)₂. This formula indicates that there are three calcium ions (Ca²⁺) for every two phosphate (PO₄)³⁻ groups. The (PO₄)³⁻ groups are discrete units, each consisting of one phosphorus atom and four oxygen atoms, and having an overall charge of 3−. The compound is electrically neutral, and its formula shows a total count of three Ca, two P, and eight O atoms.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 2.6: Molecular and Ionic Compounds.