Ion

Lithium-Ion Li⁺:Den drei rot gefärbten Protonen im übergroß dargestellten Atomkern stehen zwei blau dargestellte Elektronen gegenüber.

EinIon[i̯oːn] ist einelektrisch geladenesAtomoderMolekül.Ionen bilden alschemische VerbindungenoftSalze.Sie existieren auch inLösungoder in einemPlasma.

Atome und Moleküle haben im gewöhnlichen, neutralen Zustand genauso vieleElektronenwieProtonen.Besitzt ein Atom oder Molekül jedoch ein oder mehrere Elektronen weniger oder mehr als im Neutralzustand, hat es dadurch eineelektrische Ladungund wird als Ion bezeichnet. Ionen mit Elektronenmangel sind positiv geladen, solche mit Elektronenüberschuss negativ (siehe auchLadungszahl).

Schnelle Ionen, die sich in eine Richtung bewegen, werden in derAtomphysik,KernphysikundTeilchenphysikuntersucht oder verwendet, sieheIonenstrahlung,IonenquelleoderTeilchenbeschleuniger.EinPlasma(z. B. im Inneren derSterne) ist ein ungeordnetes Ensemble aus Ionen (zumeist völlig ionisierte, d. h. elektronenlose Atomkerne) und den abgespaltenenElektronen,die sich beide wie die Moleküle einesGasesungeordnet in alle Richtungen bewegen, entsprechend der hohen Temperatur jedoch sehr viel schneller.

Die folgenden Ausführungen beziehen sich im Wesentlichen auf langsame oder stationäre Ionen.

In der Chemie werden positiv geladene IonenKationen,negativ geladeneAnionengenannt, denn sie wandern in einemelektrischen FeldalsIonenstromzurKathode(„Minuspol “des Feldes) bzw. zurAnode(„Pluspol “des Feldes). Von dieser Fähigkeit zu Wandern bekamen Ionen ihren Namen. In einemLösungsmittelbildet sich um das Ion eineSolvathülleaus. Aufgrund derelektrostatischen Anziehungzwischen Anionen und Kationen bilden sich in LösungenIonenpaareaus. Ionen können eine Ladung transportieren, dieses bewirkt eine elektrische Leitfähigkeit.

Begriffsgeschichte

Der BegriffIonist vonaltgriechischἰόνión,deutsch‚das Gehende‘(Partizip Präsens AktivNeutrumzualtgriechischἰέναιiénai,deutsch‚gehen‘)abgeleitet.

Bei seinen Untersuchungen zurElektrizitätwarMichael Faradayunzufrieden mit den Begriffen, die ihm zur Beschreibung chemischer Zersetzungen unter dem Einfluss elektrischen Stroms zur Verfügung standen. Er wandte sich daher Anfang 1834 unter anderem anWilliam Whewell.Dieser schlug neben weiteren auch die BezeichnungenIon,KationundAnionvor; seitdem wurden sie von Faraday benutzt.Sie verbreiteten sich dann rasch in der wissenschaftlichenNomenklatur.

Bildung

Mischt manKochsalzund Wasser, werden die Natrium- und Chloridionen im Wassergelöst,d. h. voneinander getrennt und einzeln von Wassermolekülen umgeben.

Einatomige Ionen bilden sich aus neutralen Atomen, wenn diese Elektronen abgeben oder aufnehmen. Zur Entfernung von Elektronen mussIonisierungsenergieaufgewendet werden, bei der Aufnahme von Elektronen wird dieElektronenaffinitätgenannte Energie umgesetzt. Zur qualitativen Erklärung der Existenz verschiedener Ionen gibt es mehrere Ansätze, zum Beispiel dieOktettregeloder dieElektronenkonfiguration.Ihnen liegt zugrunde, dass die Aufnahme oder Abgabe eines weiteren Elektrons einen deutlich größeren Energieaufwand bedeuten würde. Darum spricht man auch von „energetisch begünstigten “Elektronenkonfigurationen wies²,s²p⁶(Edelgaskonfiguration),d¹⁰oderd¹⁰s².

Auch neutrale Moleküle können Ionen bilden, indem sie geladene Atome oder Atomgruppen abspalten oder aufnehmen. Man nennt diese Ionen Molekülionen oder mehratomige Ionen. Wichtige Molekülionen werden durch die Übertragung vonWasserstoff-Kationen beiSäure-Base-Reaktionengebildet, zum Beispiel dasNitrat-IonNO₃⁻aus derSalpetersäureHNO₃.In der organischen Chemie werden auch größere Gruppen abgegeben oder aufgenommen, zum Beispiel bei der Bildung desTetraethylammonium-IonsausTriethylamin.

Schließlich sind noch geladeneKomplexverbindungen(Komplexionen) zu nennen.

Kationen

→Hauptartikel:Kation

Positiv geladene Ionen, sogenannteKationen,werden gebildet, wenn Atome Elektronen abgeben. Da der Atomkern nach wie vor eine identische, positive Ladung besitzt (im neutralen Atom entspricht die Anzahl der Protonen im Kern exakt der Anzahl der ihn umgebenden Elektronen), erscheint das Ion in seiner Gesamtheit als ein positiv geladenes Teilchen.

Beispiel:Metall-Ionen sind in der Regel positiv geladen.
Gleichung für die Natrium-Ionen-Bildung: Na → Na⁺+ e⁻
Gleichung für die Magnesium-Ionen-Bildung: Mg → Mg²⁺+ 2e⁻
Gleichung für die Aluminium-Ionen-Bildung: Al → Al³⁺+ 3e⁻
Gleichung für die Zinn-Ionen-Bildung: Sn → Sn⁴⁺+ 4e⁻

Anionen

→Hauptartikel:Anion

Negativ geladene Ionen (Anionen) werden gebildet, indem Atome Elektronen aufnehmen. Dadurch entsteht ein Überschuss an Elektronen (negativen Ladungsträgern), der durch die vorhandenen Protonen (positiven Ladungsträger) nicht mehr ausgeglichen wird – die negativen Ladungen überwiegen, das Ion ist negativ geladen.

Beispiel:Nichtmetall-Ionen sind in der Regel negativ geladen.
Gleichung für die Chlorid-Ionen-Bildung:Cl+ e⁻→ Cl⁻
Gleichung für die Sulfid-Ionen-Bildung: S + 2e⁻→ S²⁻

Bewegliche Ionen bilden sich spontan, wenn Salze in polaren Lösungsmitteln (Wasser) gelöst werden, z. B.

$\mathrm {{NaCl_{(s)}}{\longrightarrow }{Na_{(aq)}^{+}}+{Cl_{(aq)}^{-}}}$

Der Index „s “steht für lat.solidusoder engl.solid,„fest “. Der Index „aq “steht füraquatisiert.

Als Beispiel seien die wässrigen Milieus von Zellen und Organismen (Elektrolyt­lösung) genannt. Hier spielen sie eine entscheidende Rolle für die elektrischen Vorgänge anMembranen,insbesondere für die Erregbarkeit (Membranpotential,Aktionspotential).

Kennzeichnung

Die Ionenladung gibt an, wie viele positive oder negative elektrische Ladungen ein Ion besitzt. Sie wird durch eine hochgestellte arabische Ziffer mit nachstehendem Plus- oder Minuszeichen angegeben. Die allgemeine Form lautet Aⁿ⁻beziehungsweise Aⁿ⁺.

Molekül-AnionTetrafluoroborat

Beispiele sind:

• Na⁺–Natrium-Ion (nwird hier weggelassen, dangleich eins ist)
• S²⁻–Sulfid-Ion
• NH₄⁺–Ammonium-Ion, ein Molekülion

Bei Molekülionen wird dieValenzstrichformeldes Moleküls in eckige Klammern gesetzt und die Ionenladung hochgestellt hinter der Klammer angegeben.

In derSpektroskopiewerden zur Kennzeichnung von Spektren ionisierter Atome auchrömische Zahlenverwendet,wobeiSpektralliniendes neutralen Atoms mit I (eins) bezeichnet werden. Zum Beispiel wird „He I “den Linien des neutralenHeliumszugeordnet und „C IV “den Linien von dreifach ionisiertemKohlenstoff.

Eigenschaften

DerRadius von Ionenunterscheidet sich von dem des entsprechenden Atoms. Der Kationenradius ist kleiner – aufgrund der Nichtbesetzung der äußerenAtomorbitale–, der der Anionen meistens größer, da die äußeren Orbitale mit Elektronen aufgefüllt und/oder weitere Orbitale neu besetzt werden. Abhängig vom Verhältnis von Ladung zu Radius wirken Ionen unterschiedlichpolarisierendinchemischen Bindungen.

Ionen unterschiedlicher Ladung bilden durch dieIonenbindungSalze.Lösungen,die ionische Substanzen enthalten, leitenelektrischen Stromund heißen daherElektrolyte.Die Ursache für die Leitung des elektrischen Stromes ist dietranslatorischeBeweglichkeit der Ionen innerhalb der Lösung. Informationen über die translatorische Beweglichkeit von Ionen in der Elektrolytlösung, wie derenDiffusionskoeffizientoder derenBeweglichkeit$\mu$im elektrischen Feld, kann man überFeldgradienten-NMR-Methoden erhalten. Die Messung von$\mu$kann aber auch mit der „klassischen Methode “der „Bewegten Grenzfläche “(moving boundary) erfolgen.

Ein cyclisches Ion ist ein Ion, das in einer Ringstruktur aufgebaut ist (cyclische Verbindungen).

Vorkommen

Ionen mit mehr als drei Unter- oder Überschussladungen kommen in derChemienur selten vor.

In derPhysikwerden Ionen zu bestimmten experimentellen Zwecken zum Beispiel mitIonenquellenerzeugt, sie kommen aber auch in der Natur vor, wie zum Beispiel imSonnenwind,beimRekombinationsleuchtenvonMeteoren,beiPolarlichtern,bei einem Gewitterblitzoder bei einemElmsfeuer(vergleiche auchElektrometeore).

Gasionen spielen bei den Leitungsvorgängen in Leuchtstofflampen und anderen Gasentladungen (elektrische Funken, Blitze) eine Rolle. Ein (fast) vollständig ionisiertes Gas bezeichnet man alsPlasma.

IonisierteEdelgasekönnen Ionenbindungen eingehen. Edelgas-Halogenid-Verbindungen werden inExcimerlasernverwendet.

Bei Molekülen mit zwei oder mehrerenfunktionellen Gruppenkann es vorkommen, dass sie an einer Gruppe eine positive, an einer anderen eine negative Ladung tragen (insgesamt ist das Molekül dann neutral). Solche polaren Moleküle werden auch alsZwitterionenbezeichnet. Beispielsweise tragen Aminosäuren zugleich eineAminogruppeund eineCarbonsäuregruppe.Ein Zwitterion kann in einer Lösung je nachPh-Wertpositiv oder negativ geladen sein.

Elektrolytespielen eine große Rolle inStoffwechsel­vorgängen und inBatterien,z. B.Lithium-Ionen-Batterien.Die Elektrolyte im Blut stabilisieren den Säure-Basen-Spiegel und regulieren die Nerven- und Muskelfunktion.

Siehe auch

• Schwach koordinierende Ionen
• Ionisator

Weblinks

Wiktionary: Ion– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wikibooks: Anorganische Chemie für Schüler/ Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung– Lern- und Lehrmaterialien