Ionen: Ladung, Bildung und Schreibweise verstehen

Protonen im Atomkern sind positiv, Elektronen in der Atomhülle negativ geladen. Ihre Ladungen sind gleich groß und entgegengesetzt. Neutronen sind ungeladen. Ein neutrales Atom hat gleich viele Protonen wie Elektronen. Bei der hier betrachteten Ionenbildung ändert sich nur die Zahl der Elektronen; die Protonenzahl bleibt gleich.

Zähle für die Ladungszahl jedes Proton als +1 und jedes Elektron als −1: Ladungszahl = Protonenzahl − Elektronenzahl. Die Elementarladung ist der Betrag der Ladung eines Protons oder Elektrons. Die Ladungszahl gibt die Gesamtladung in Einheiten dieser Ladung an. Eine Ladungszahl +2 bedeutet zwei positive Ladungseinheiten.

Ein neutrales Atom kann durch Elektronenabgabe oder Elektronenaufnahme zum Ion werden. Das Element bleibt gleich, weil die Protonenzahl unverändert bleibt. Ein Kation ist positiv und hat weniger Elektronen als Protonen. Ein Anion ist negativ und hat mehr Elektronen als Protonen.

In den folgenden Schemata steht \ce{e-} für ein Elektron; \ce{2 e-} zählt zwei Elektronen. Der Pfeil zeigt das Ausgangsteilchen und das Ergebnis. Links und rechts bleibt die Gesamtladung gleich.

Im Schalenmodell liegen Elektronen in verschiedenen Schalen. Die Elektronen der äußersten besetzten Schale heißen Außenelektronen. Die Oktettregel ist eine Faustregel: Viele Atome erreichen in Verbindungen acht Außenelektronen. Edelgaskonfiguration meint eine Elektronenverteilung wie bei einem Edelgas. Natrium hat ein Außenelektron; nach dessen Abgabe besitzt \ce{Na+} außen acht wie Neon. Chlor hat sieben; nach Aufnahme eines Elektrons besitzt \ce{Cl-} außen acht wie Argon. Das gilt nicht ausnahmslos für alle Elemente. Auch „Metalle bilden Kationen, Nichtmetalle Anionen“ beschreibt typische Fälle, keine ausnahmslose Regel.

Die Ladung steht rechts oben am Symbol oder an der ganzen Atomgruppe: \ce{Na+} ist einfach positiv, \ce{Ca^2+} zweifach positiv, \ce{Cl-} einfach negativ, \ce{S^2-} zweifach negativ und \ce{PO4^3-} dreifach negativ. Bei einfacher Ladung lässt du die 1 weg. Das Vorzeichen zählt keine Atome.

Ein Index steht rechts unten und zählt das Element direkt davor: \ce{SO4^2-} enthält ein S- und vier O-Atome; 2− ist die Ladung der ganzen Gruppe. Ein Koeffizient vor der Formel zählt vollständige Ionen: \ce{3 Ca^2+} bedeutet drei Calciumionen mit je 2+ und insgesamt 6+ Ladung. Eine Klammer fasst eine Gruppe zusammen: In \ce{Ca(NO3)2} zählt die 2 hinter der Klammer zwei NO₃-Gruppen, also zwei N- und sechs O-Atome. Jede Nitratgruppe \ce{NO3-} trägt 1−. Zwei Gruppen gleichen die Ladung 2+ des Calciumions aus; die Salzformel ist insgesamt neutral.

Natrium bleibt nach Elektronenabgabe Natrium, weil seine Protonenzahl gleich bleibt. Ebenso bleibt Chlor Chlor; sein Anion heißt Chlorid-Ion.

Ein Ion kann aus einem oder mehreren verbundenen Atomen bestehen. Einatomige Beispiele sind \ce{Na+}, \ce{Cl-} und \ce{S^2-}. Mehratomige Beispiele sind \ce{NH4+} (Ammonium), \ce{OH-} (Hydroxid) und \ce{PO4^3-} (Phosphat). In \ce{NH4+} bedeutet die 4 vier H-Atome; N ohne Index bedeutet ein N-Atom. Das Plus gilt für die ganze Gruppe. Die Formel zeigt Zusammensetzung und Ladung, aber keinen bestimmten Bildungsweg.

Ein neutrales Molekül wie \ce{H2O} besteht auch aus verbundenen Atomen, besitzt aber keine Gesamtladung. Bei der Formel eines einzelnen Teilchens weist die hochgestellte Ladung auf ein Ion hin. Entgegengesetzt geladene Ionen ziehen sich an und können Salze bilden. In festem NaCl gleichen sich Natrium- und Chlorid-Ionen insgesamt aus; die Salzformel selbst zeigt keine Ladungszeichen. Sind Ionen etwa in Wasser gelöst und beweglich, können sie elektrische Ladung transportieren. Bewegliche Ionen spielen in Batterien sowie in Nerven und Muskeln eine Rolle.