Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaften

2. Bindungslehre

 

Wie schon erwähnt kommen
die Elemente in der Natur außer den Edelgasen nur in
gebundenem Zustand vor. Dabei haben sich meist mehrere Atome
zu größeren Teilchen verbunden, die man je nach
dem wie die Atome in der Verbindung vorliegen besonders nennt.
Vergleicht man alle bisher untersuchten Verbindungen, so ergeben
sich 3 “echte” und mehrere “unechte” Bindungen.

Typische Beispiele sind die
Verbindung von Magnesium mit Sauerstoff, die
Verbindung von Wasserstoff mit Sauerstoff und
die Bindung innerhalb eines Metalls wie z.B. Aluminium.

In der Chemie kann man diese
Vorgänge wie folgt symbolisieren:

Reaktion
2 Mg +O2
—-> 2 Mg2+O2-
H2 + O2 —–> 2 H2O
n Al —–> Al Metallgitter
Teilchen
des
Produkts
Ionen
Moleküle
Metallatome
Bindung
Ionenbindung
Atombindung
Metallbindung
Bindungspartner
Metall mit Nichtmetall
Nichtmetalle untereinander
Metalle untereinander

space

Daneben kennt man noch Wasserstoffbrückenbindungen
wie sie z.B. im Wasser zwischen den Wassermolekülen vorkommen,
Van-der-Waalskräfte, die man zwischen den Fettmolekülen
und allen wasserunlöslichen Stoffen findet und die Komplexbindung,
die z.B. in Salzkristallen existiert.

2.1 Ionenbindung (Teil 1)

Ein kleines Stück Natrium
wird in eine mit gelbgrünem Chlorgas gefüllte Glasflasche
gegeben. Die Flasche enthält Sand, um eine Beschädigung
des Glasbodens durch Hitze zu verhindern. Am Anfang findet keine
Reaktion zwischen Na und Cl statt. Durch einen Wassertropfen
wird die Reaktion gestartet.

 

 


Abb.2.1

Reaktion
von Na mit Cl
nacli1 - Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaftennacli2 - Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaftennacli3 - Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaftennacli4 - Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaften
Na in Chlor
Reaktionsstart mit H2O
Reaktion
NaCl-Nebel

Bei Zimmertemperatur geschieht normalerweise keine Reaktion. Durch die
Zugabe eines Wassertropfens wird die Oberflächenschicht aus z.B.
Natriumoxid aufgelöst, Wasser reagiert mit Natrium, was zu einer
Erhöhung der Temperatur führt. Dies ermöglicht dann Natrium
die Reaktion mit Chlor, die stark exotherm verläuft. Die Hitze ist
so groß, daß sich das Reaktionsprodukt NaCl (Kochsalz)
als Nebel an der Gefäßwand niederschlägt.

In der Bundesrepublik wurden 1995 12,431 Millionen To Kochsalz (NaCl)
produziert. Kochsalz kommt weltweit als Mineral
Halit
vor. (siehe Abb. 4.2).
Die rosa Farbe kommt von dem Bakterium Halobakterium, das in dem Salz
lebt.

salzbw - Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaften

In Europa kann man es in Salzbergwerken abbauen (siehe
Abb. 2.3) ansonsten gewinnt man es z.B.
durch Verdunsten von Meerwasser . 1 Liter Meerwasser enthält durchschnittlich
35 g Salz. Davon sind:

ca. 19 g/l Chloridionen
(Cl),
ca. 10,6 g/l Natriumionen (Na+),

1,3 g/l Magnesiumionen (Mg2+),

0,405 g/l Calciumionen (Ca2+)
und
0,385g/l Kaliumionen (K+).

Jetzt wird klar, warum man bei 78% NaCl- Gehalt leicht
aus Meerwasser Speisesalz gewinnen kann (Abb.
2.4
eine Saline am Mittelmeer in Südfrankreich).

saline1 - Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaften

Aufschluß über Eigenschaften
der Teilchen, aus denen die Verbindung Kochsalz besteht erhält man
aus folgenden Experimenten und Untersuchungen:

leitf1 - Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaften

Schaltet man festes Kochsalz in einen
Stromkreis mit einer Lampe, fließt kein Strom. Verwendet man dagegen
geschmolzenes NaCl leuchtet die Lampe. Dasselbe geschieht, wenn
man Kochsalz in Wasser löst und die Elektroden in die Lösung
hält (siehe links).

Konsequenz:
In geschmolzenem und in Wasser gelösten Kochsalz müssen
die “Kochsalz-Teilchen” als bewegliche Ladungsträger
vorliegen. Da die Reaktion mit Atomen begann und jetzt geladene Teilchen
vorliegen sind als Produkt Ionen entstanden: Na+
und Cl Ionen.

Untersucht man den Kochsalzkristall mit der Röntgenstrukturanalyse,
erhält man Aufschluß über die Anordnung der kleinsten
Teilchen. Sie bilden ein regelmäßiges Gitter indem sich
Natrium- und Chlorionen abwechseln.

Man spricht von einem Ionengitter. Bei der Röntgenstrukturanalyse
werden Kristalle bestrahlt und aus der Ablenkung der Strahlung, die auf
einem Film festgehalten wird die räumlichen Koordinaten (x,y,z) der
Teilchen bestimmt.

 


Abb.2.2

Halit
1613 - Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaften

 


Abb.2.3


Salzbergwerk

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb.2.4


Saline

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb.2.5


Eigenschaften von Kochsalz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb.2.6


Röntgenstrukturanalyse

roestra - Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaften

Dabei sind die kleineren Natrium-Kationen zwischen die
größeren Chloridanionen gelagert und bilden ein sogenanntes
kubisches Kristallsystem
.

Klicken Sie hier,
um die 3D-Animation des NaCl-Gitters zu sehen.

Andere Salze wie MgO, TiO, TiC, LaN, NaI,
KCl, RbF, AgCl, und SrS besitzen dieselbe Gitterstruktur.

Beim CsCl (= Cäsiumchlorid) z.B. ist ein
Casium-Ion ( ) von 8 Chloridionen umgeben (siehe rechts) und bei der Zinkblende
(ZnS) finden wir noch eine andere Ionenkonfiguration.

Daneben gibt es noch viele andere Kristallsysteme mit
einer nichtkubischen Anordnung wie z.B. einer Hexagonalkonfiguration.
Einige 3D-Kristallstrukturen können nachfolgend beobachtet werden:

SiO2
(Quartz)

Die Reaktion von Natrium mit Chlor können wir wie
folgt formulieren:

2 Na + Cl2 —> 2 NaCl.


Abb.2.7


Atom- und Ionenradien
von NaCl
rad3 - Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaften

Abb.2.8


Ionengitter von NaCl
nacl1 - Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaften
nacl9 - Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaften

Dabei findet ein Elektronenübergang vom Natrium
zum Chlor statt. Dieser ist von einer starken Energieabgabe begleitet:
DH = -417 KJ/Mol.
Er ist also exotherm. Die Produkte der Reaktion
ziehen sich aufgrund der unterschiedlichen Ladung an.
Space Diese Bindung zwischen den Ionen in
einem Ionengitter wird Ionenbindung
genannt. Solche Ionen entstehen im einfachsten Fall dadurch, daß
sich Metalle mit Nichtmetallen verbinden. die Produkte der Verbindung
heißen Salze.

coul - Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaften

Die Energie dieser Bindung kann mit dem
Coulombschen Gesetz berechnet werden. (siehe links) Dabei bedeuten:

  • Q1= Ladung des Anions
  • Q2= Ladung des Kations
  • R= Abstand zwischen den Ionen (nm)
  • k= Proportionalitätskonstante (2.31
    x 10-19 J nm )

Q ist die numerische Ionenladung; d.h. +1,
+2, +3… für das Kation und -1, -2 -3… für das Anion.

Einen Vergleich der Radii in Ionenverbindungen
kann man hier
sehen.

Berechnungsbeispiel


1. Berechnung der Energie der
Bindung zwischen Na+ und Cl

Lösung

Berechnet man die Energie (E) für die
Bindung zwischen einem Natrium
( Ionenradius: 95 pm) und Chloridion (Ionenradius: 181
pm) , so ergibt sich:

E
= 2,31 x 10-19 J nm (-1)(1)/0,276 nm ; E
= -8.37 x 10-19 J

und für je ein Mol
der Komponenten:

E
= – 8,37 x 10-19 J (6,02 x 1023)/1000
; E = – 504 kJ/Mol

Verfolgt man den energetischen Verlauf der Bindung
der beiden Atome, in dessen Verlauf sie zu Ionen werden, also ein Elektronenübergang
stattfindet, so ergibt sich der Kurvenverlauf, der rechts abgebildet
ist. Verfolgen wir die Näherung der Ionen, dann überwiegen
bei größerem Abstand die Anziehungskräfte zwischen den
Kernen und den Elektronen.

Je näher die Ionen sich kommen, wird die Abstoßung
der beiden Kerne (Protonen) immer größer bis ein Gleichgewicht
zwischen Abstoßung und Anziehung
erreicht ist. Dieser Gleichgewichtszustand
zeigt ein Minimum an Energie und ist durch eine bestimmte Bindungslänge
gekennzeichnet.

z.B. Na+Cl = 0,276 nm (Summe
der Ionenradien)

energv - Ionenbindung: Beispiele & Eigenschaften


Abb.2.9


Reaktion von Na mit Chlor

 


Abb.2.10

Bindungsenergie
Ionenbindung

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb.2.11

Energieverlauf
Ionenbindung
Weiterführende
Quellen:

Periodensystem: http://www.uniterra.de/rutherford/
und http://www.webelements.com/
und http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/index.html
und http://periodensystem.andyhoppe.com/
und http://www.trauner.at/service/DownloadsCh/perioden.pdf

Ionenverbindungen: http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch7/latticeframe.html

Ionenbindung: http://www.chem.ufl.edu/~chm2040/Notes/Chapter_11/types.html

Röntgenstrukturanalyse: http://www.mpi-dortmund.mpg.de/deutsch/abteilungen/abt1/methoden/methoden.php3#xray

Kristallographie: http://www-structure.llnl.gov/Xray/101index.html

Gitterstrukturen: http://www.fhi-berlin.mpg.de/th/personal/hermann/pictures.html
und
http://www.ill.fr/dif/3D-gallery.html
und http://www.koerbernet.de/Werkstoffkunde/index.htm

Kristallsysteme: http://phase.e-technik.tu-ilmenau.de/Ausbildung/pdf_bunt/V01.pdf

Kochsalz: http://www.ilpi.com/inorganic/structures/nacl/

Ionengitter:
http://www.chem.ox.ac.uk/icl/heyes/structure_of_solids/Lecture2/Lec2.html#anchor5

und http://www.isat.jmu.edu/users/klevicca/VISM/vism.htm

3D-Kristallstrukturen: http://www.chem.purdue.edu/chm241/Crystal_and_Molecular_Structur/crystal_and_molecular_structur.html#Structures

Metallgitter: http://www.geo.ucalgary.ca/~tmenard/crystal/metal.html

Lewisformeln: http://www.matse.psu.edu/matsc81/Handouts/Handout5.pdf

Atomarchiv: http://www.atomicarchive.com/main.shtml

Interaktive Physik: http://www.lightlink.com/sergey/java/index.html

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