Ionen

Wenn ein Atom nicht mehr neutral ist

Ein neutrales Atom besitzt gleich viele Protonen und Elektronen. Ein $Ion$ entsteht, wenn ein Atom oder eine Atomgruppe eine elektrische Gesamtladung trägt. Hier betrachten wir zunächst einatomige Ionen.

Ein Ion entsteht, $wenn Elektronen- und Protonenzahl nicht übereinstimmen$ .

Protonen sitzen im Kern und werden bei einfachen chemischen Vorgängen nicht ausgetauscht. Elektronen sind die Teilchen, deren Zahl sich verändert. Die Protonenzahl bestimmt daher weiterhin das Element, während die Differenz zwischen Protonen und Elektronen die Ionenladung bestimmt.

Eine einfache Möglichkeit, die Ladung abzulesen, ist das Vorzeichen. Protonen erhöhen den positiven Wert, während Elektronen den negativen Wert erhöhen. Wenn die Zählungen übereinstimmen, ist das Ergebnis $0$ oder neutral. Wenn die Elektronen abnehmen, bleibt die positive Ladung bestehen. Wenn die Elektronenzahl zunimmt, bleibt die negative Ladung bestehen.

Kationen und Anionen

Ein positiv geladenes Ion heißt $Kation$ . Es entsteht, wenn ein Atom Elektronen abgibt.

Ein negativ geladenes Ion heißt $Anion$ . Es entsteht, wenn ein Atom Elektronen aufnimmt.

Ein Ion ist ein atomares oder molekulares Teilchen mit elektrischer Nettoladung.

Simulator zur Ionenbildung

Folge dem Weg von links nach rechts: Ein neutrales Atom gibt Elektronen ab oder nimmt sie auf und wird zum Kation oder Anion. Protonen und Neutronen bleiben unverändert.

Vorher

Neutrales Atom

{}^{23}_{11}\mathrm{Na}

Elektronen: $11$
Ladung: $0$

Nachher

Kation

{}^{23}_{11}\mathrm{Na}^{+}

Elektronen: $10$
Ladung: $+1$

Elektronen verändern sich: Gibt $1$ Elektron ab
Elektronen: $e^-: 11 \rightarrow 10$

Protonen: $11$
Neutronen: $23 - 11 = 12$
Ladung: $q = p^+ - e^- = 11 - 10 = +1$

Ionenladung aus der Differenz von Protonen und Elektronen

Die Ionenladung ergibt sich aus der Protonenzahl minus der Elektronenzahl:

q = p^+ - e^-

Das Symbol $q$ ist die Ladungszahl des Ions in $Einheiten der Elementarladung$ , nicht in Coulomb, $p^+$ ist die Anzahl der Protonen und $e^-$ ist die Anzahl der Elektronen.

Für die Elektronenzahl eines Ions wird dieselbe Formel umgestellt:

e^- = p^+ - q

Beispiel für Natrium:

\begin{aligned} {}^{23}_{11}\mathrm{Na}^{+} &: p^+ = 11,\ q = +1 \\ e^- &= 11 - (+1) \\ &= 10 \end{aligned}

Fluorid-Beispiel:

\begin{aligned} {}^{19}_{9}\mathrm{F}^{-} &: p^+ = 9,\ q = -1 \\ e^- &= 9 - (-1) \\ &= 10 \end{aligned}

Das negative Vorzeichen in $\mathrm{F}^{-}$ bedeutet, dass es mehr Elektronen als Protonen gibt. Deshalb wird $9 - (-1)$ zu $10$ .

Zusammensetzung eines Ions

Wenn ein Atom zum Ion wird, bleiben die $Zahlen der Protonen und Neutronen gleich$ . Die Elektronenzahl ändert sich entsprechend der Ionenladung. Die Tabelle zeigt die einzelnen Größen.

Teil zum Lesen	Wenn sich ein Ion bildet	Wirkung
Protonen	Bleiben gleich	Das Element ändert sich nicht.
Neutronen	Bleiben beim selben Isotop gleich	Die Massenzahl ändert sich nicht.
Elektronen	Ändern sich	Die Ionenladung ändert sich.

$\mathrm{Na}$ und $\mathrm{Na}^{+}$ sind deshalb beide Natrium: Ihre Protonenzahl bleibt $11$ . $\mathrm{Na}^{+}$ besitzt jedoch nur $10$ statt $11$ Elektronen.

Ausgearbeitete Tabelle für Ionenzählungen

Die Tabelle zeigt die vollständige Rechnung. Von links nach rechts gelesen liefert die Ordnungszahl $Z$ die Protonenzahl, $A - Z$ die Neutronenzahl und $q = p^+ - e^-$ den $Zusammenhang zwischen Ladung und Elektronenzahl$ .

Symbol	Ordnungszahl	Massenzahl	Ladung	Protonen	Elektronen	Neutronen
${}^{7}_{3}\mathrm{Li}$	$3$	$7$	$0$	$3$	$3$	$4$
${}^{7}_{3}\mathrm{Li}^{+}$	$3$	$7$	$+1$	$3$	$2$	$4$
${}^{16}_{8}\mathrm{O}$	$8$	$16$	$0$	$8$	$8$	$8$
${}^{16}_{8}\mathrm{O}^{2-}$	$8$	$16$	$-2$	$8$	$10$	$8$
${}^{27}_{13}\mathrm{Al}$	$13$	$27$	$0$	$13$	$13$	$14$
${}^{27}_{13}\mathrm{Al}^{3+}$	$13$	$27$	$+3$	$13$	$10$	$14$

Die Lithiumzeile überprüfen

Nehmen wir ${}^{7}_{3}\mathrm{Li}^{+}$ . Die Ordnungszahl $3$ bedeutet $3$ Protonen. Bei der Ladung $+1$ ergibt sich folgende Elektronenzahl:

e^- = 3 - (+1) = 2

Seine Neutronenzahl ergibt sich aus der Massenzahl:

n^0 = 7 - 3 = 4

Bei Unsicherheit hilft die Ladungsrechnung als Ausgangspunkt. Kationen besitzen $weniger Elektronen als Protonen$ , Anionen dagegen mehr.