Ionenbindung und Kristallgitter

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Was sind Stoffe

Die Ionenbindung

Was sind Stoffe

Kationen und Anionen

Die einfachste Theorie der chemischen Bindung ist die Edelgastheorie: Atome schließen sich zu Molekülen zusammen, um dabei eine Edelgaskonfiguration zu erreichen.

In der Verbindung Kochsalz beispielsweise gibt Natrium (im Bild oben) ein Elektron an Chlor (im Bild unten) ab und erreicht damit eine Edelgaskonfiguration wie Neon. Und Chlor erreicht mit dem neu hinzugewonnenen Elektron eine Edelgaskonfiguration wie Argon.

Das eine Elektron wird dabei vollständig von Natrium an Chlor abgegeben.

Das liegt daran, weil die Differenz der Elektronegativität (EN) zwischen Natrium (EN-Wert: 0,9) und Chlor (EN-Wert: 3,0) sehr hoch ist; sie ist auf jeden Fall größer als der Richtwert von 1,8. Die Elektronegativität gibt an, wie stark ein Element Elektronen in einem Molekül an sich ziehen kann. Chlor ist dazu sehr gut in der Lage. Bei einer EN-Differenz höher als 1,8 werden Elektronen normalerweise vollständig an das elektronegativere Atom abgegeben.

Man spricht von einer Ionenbindung, wenn Elektronen vollständig ausgetauscht werden.

Natrium wird zum Na⁺-Kation (das heißt, das Atom ist mit weniger Elektronen als Protonen positiv geladen)
Chlor zum Cl^--Anion (das heißt, das Atom ist mit mehr Elektronen als Protonen negativ geladen)

In Flüssigkeiten sind Ionen dafür verantwortlich, dass Ladungstransport stattfinden kann. Es ist ja allgemein bekannt, dass Wasser besonders gut leitfähig wird, wenn man Kochsalz (NaCl) hineingibt:

Die Na⁺Cl^--Kristalle werden im Wasser gelöst, indem eine Dissoziation (Trennung der Bindung in verschiedene Kationen und Anionen) in Na⁺und Cl^-stattfindet.

Schickt man einen Strom durch diese Lösung, wandern die Na⁺-Kationen zum negativ geladenen elektronenreichen Pol und die Cl^--Anionen zum positiv geladenen elektronenarmen Pol. Diese Lösung wird damit leitend.

Ionenkristallgitter in Feststoffen

Wegen der elektrostatischen Anziehung von positiv und negativ geladenen Teilchen ordnen sich Ionen in Festkörpern in Kristallgittern aus, so dass gleichgeladene Atome möglichst weit voneinander entfernt sind, verschieden geladene Atome sich aber möglichst nahe kommen.

Wegen der starken Anziehungskräfte haben Ionenkristalle hohe Schmelzpunkte. Ionenkristalle sind keine guten elektrischen Leiter, weil positive und negative Ionen fest auf ihren Plätzen verankert sind.

Bekannt sind für Ionen mit gleich vielen Anionen und Kationen folgende Kristallstrukturen (in Wirklichkeit berühren sich die Ionen natürlich weitgehend, zur besseren Übersicht wurden die Gitterabstände hier erhöht):

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Die Elementarzelle des NaCl-Gitters: .

	Jedes Na⁺-Ion ist von 6 Cl^--Ionen umgeben. Jedes Cl^--Ion von 6 Na⁺-Ionen umgeben. Die Koordinationszahl ist für Anionen und Kationen 6.
Jeder Elementarzelle gehören 4 (blaue) Anionen: Jedes Anion an den 8 Ecken der Elementarzelle gehört der Elementarzelle nur zu 1/8 (weil nur 1/8 des Anionenvolumens in der Elementarzelle liegt): 8 [Anionen an den Ecken] * (1/8) = 1 [Anion] Jedes Anion auf den 6 Flächen nur zu 1/2: 6 [Anionen auf den Flächen] * (1/2) = 3 [Anionen] 1 [Anion] + 3 [Anionen] = 4 [Anionen]	Jeder Elementarzelle gehören 4 (grüne) Kationen: Jedes Kation an den 12 Kanten gehört der Elementarzelle nur zu 1/4: 12 [Kationen an den Kanten] * (1/4) = 3 [Kationen] Das Kation in der Mitte gehört der Elementarzelle ganz: 1 [Kation in der Mitte] * (1/1) = 1 [Kation] 1 [Kation] + 3 [Kationen] = 4 [Kationen]

Dieser Typ Elementarzelle bildet sich aus, wenn das Verhältnis zwischen Kationen- und Anionenradius zwischen 0,414 und 0,732 liegt. Sie ist eine kubisch-dichteste Kugelpackung von Chlorid-Ionen; alle Oktaederlücken sind mit Natriumionen besetzt.
In dieser Form kristallisieren neben NaCl auch LiCl und KCl, MgO und CaO.

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Die Elementarzelle des CsCl-Gitters: .

	Jedes Cs⁺-Ion ist von 8 Cl^--Ionen umgeben. Jedes Cl^--Ion von 8 Cs⁺-Ionen umgeben. Die Koordinationszahl ist für Anionen und Kationen 8.
Jeder Elementarzelle gehört 1 (blaues) Anion: Jedes Anion an den 8 Ecken der Elementarzelle gehört der Elementarzelle nur zu 1/8 (weil nur 1/8 des Anionenvolumens in der Elementarzelle liegt): 8 [Anionen an den Ecken] * (1/8) = 1 [Anion]	Jeder Elementarzelle gehört 1 (grünes) Kation: Das Kation in der Mitte gehört der Elementarzelle ganz: 1 [Kation in der Mitte] * (1/1) = 1 [Kation]

Dieser Typ Elementarzelle bildet sich aus, wenn das Verhältnis zwischen Kationen- und Anionenradius größer als 0,732 ist. Beispiele für diese Kristallform sind neben CsCl auch CsBr.

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Die Elementarzelle des ZnS-Gitters: .

	Jedes Zn²⁺-Ion ist von 4 S^2--Ionen umgeben. Jedes S^2--Ion ist von 4 Zn²⁺-Ionen umgeben. Die Koordinationszahl ist für Anionen und Kationen 4.
Jeder Elementarzelle gehören 4 (blaue) Anionen: Jedes Anion an den 8 Ecken der Elementarzelle gehört der Elementarzelle nur zu 1/8 (weil nur 1/8 des Anionenvolumens in der Elementarzelle liegt): 8 [Anionen an den Ecken] * (1/8) = 1 [Anion] Jedes Anion auf den 6 Flächen nur zu 1/2: 6 [Anionen auf den Flächen] * (1/2) = 3 [Anionen] 1 [Anion] + 3 [Anionen] = 4 [Anionen]	Jeder Elementarzelle gehören 4 (grüne) Kationen: Die Kationen in der Zelle gehören der Elementarzelle ganz: 4 [Kation in der Zelle] * (1/1) = 4 [Kationen]

Dieser Typ Elementarzelle bildet sich aus, wenn das Verhältnis zwischen Kationen- und Anionenradius kleiner als 0,414 ist. Beispiele für diese Kristallform sind neben ZnS auch CuCl und AgI.

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