Chemie · Klasse 9–10 · aktualisiert
Ionengitter: Aufbau und Eigenschaften verstehen
Wie Kationen und Anionen ein Ionengitter bilden und warum Salze deshalb hart, spröde, schwer schmelzbar und nur mit beweglichen Ionen leitfähig sind.
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Kurz gesagt
Ein Ionengitter ist eine regelmäßige, dreidimensionale Anordnung von Kationen und Anionen, die elektrostatische Anziehung in alle Raumrichtungen zusammenhält. Daraus folgen die Eigenschaften von Salzen: hart, schwer schmelzbar und spröde; Strom leiten sie nur, wenn ihre Ionen beweglich sind.
Ein Ionengitter ist eine regelmäßige, dreidimensionale Anordnung positiv und negativ geladener Ionen. Elektrostatische Anziehungskräfte, also Anziehungskräfte zwischen entgegengesetzten elektrischen Ladungen, halten das Gitter zusammen. Sein Aufbau erklärt typische Eigenschaften von Salzen wie Härte, Sprödigkeit und hohe Schmelztemperaturen.
Deine Lernziele
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4 Abschnitte
Ein positiv geladenes Ion heißt Kation, ein negativ geladenes Ion Anion. Kationen und Anionen ziehen sich wegen ihrer entgegengesetzten Ladungen an.
Diese Anziehung zwischen elektrischen Ladungen heißt elektrostatische Anziehung. Sie wirkt in alle Raumrichtungen. Ein Ion zieht deshalb nicht nur ein einzelnes Gegenion an, also ein einzelnes entgegengesetzt geladenes Ion. Viele Kationen und Anionen ordnen sich so an, dass jedes Ion von entgegengesetzt geladenen Ionen umgeben ist. Es entsteht ein Ionengitter.
Bei Natriumchlorid wechseln sich Na⁺- und Cl⁻-Ionen regelmäßig ab. Die Formel NaCl beschreibt ihr Zahlenverhältnis von 1 : 1 im Gitter. Sie steht nicht für einzelne, voneinander getrennte NaCl-Moleküle.
Definition
Ionenbindung
Die Ionenbindung ist die elektrostatische Anziehung zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen. Sie wirkt in alle Raumrichtungen und hält dadurch viele Ionen in einem räumlichen Verband zusammen.
Beispiel: Vom Elektronenübergang zum Gitter: Magnesiumoxid
- 1Ein Magnesiumatom gibt zwei Elektronen ab und wird zu Mg²⁺.
- 2Ein Sauerstoffatom nimmt diese zwei Elektronen auf und wird zu O²⁻.
- 3Die entgegengesetzten Ladungen ziehen sich an.
- 4Weil die Anziehung in alle Richtungen wirkt, lagern sich viele Mg²⁺- und O²⁻-Ionen abwechselnd zu einem dreidimensionalen Gitter zusammen.
- 5Die Formel MgO nennt nur das Zahlenverhältnis 1 : 1 der beiden Ionensorten.
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Die Anordnung der Ionen wiederholt sich regelmäßig. Deshalb lässt sich das Muster auch über viele Gitterabstände hinweg vorhersagen. Diese weitreichende Regelmäßigkeit heißt Fernordnung.
Die regelmäßige Anordnung trägt dazu bei, dass Salze Kristalle mit ebenen Flächen und scharfen Kanten bilden können.
Merke: Ein Ionengitter ist kein ungeordneter Haufen von Ionen. Sein wiederkehrendes räumliches Muster bildet die Grundlage der Kristallstruktur.
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Zwischen Kationen und Anionen wirken starke elektrostatische Anziehungskräfte. Sie halten die Ionen an ihren Gitterplätzen. Das erklärt die Härte vieler Salzkristalle und den hohen Energiebedarf beim Schmelzen oder Sieden.
Sprödigkeit bedeutet, dass ein Stoff unter Belastung bricht, statt sich dauerhaft zu verformen. Bei Druck können sich ganze Gitterebenen gegeneinander verschieben. Dann geraten gleich geladene Ionen nebeneinander. Ihre Abstoßung spaltet das Gitter.
Elektrischer Strom erfordert bewegliche Ladungsträger. Im festen Ionengitter sind die geladenen Ionen an feste Plätze gebunden. Deshalb leitet ein festes Salz keinen elektrischen Strom.
Löst sich ein Salz in Wasser, können sich seine Ionen bewegen. Die beweglichen Kationen und Anionen transportieren elektrische Ladung, sodass die Lösung Strom leiten kann. Auch in einer Salzschmelze sind die Ionen beweglich; sie leitet ebenfalls.
Nicht jedes Salz ist gleich gut wasserlöslich. Die Leitfähigkeitsregel gilt deshalb für eine Lösung, in der tatsächlich bewegliche Ionen vorhanden sind.
Beispiel: Der spröde Bruch in drei Schritten
- 1Eine Kraft verschiebt zwei Gitterebenen.
- 2Gleich geladene Ionen liegen plötzlich nebeneinander.
- 3Die starke Abstoßung trennt die Ebenen; der Kristall bricht.
Merke: Starke Anziehung macht Salze hart und schwer schmelzbar. Abstoßung nach einer Verschiebung macht sie spröde. Strom leiten sie nur, wenn die Ionen beweglich sind.
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Die Koordinationszahl gibt an, wie viele entgegengesetzt geladene Ionen ein bestimmtes Ion unmittelbar umgeben. Ausgewählte Beispiele in der Tabelle zeigen, dass Ionengitter unterschiedlich aufgebaut sein können.
Beim Fluoritgitter sind die beiden Koordinationszahlen verschieden. Deshalb muss immer genannt werden, zu welcher Ionensorte eine Zahl gehört.
Die Elementarzelle ist die kleinste geometrische Einheit, mit der sich die wiederkehrende Geometrie und Symmetrie eines Gitters beschreiben lässt. Durch räumliche Wiederholung dieser Einheit erhält man das Gittermodell. Linien in einem Gittermodell können nur die räumliche Orientierung verdeutlichen. Sie müssen nicht einzelne Bindungen darstellen.
Definition
Koordinationszahl
Eine Angabe wie 6 : 6 bedeutet: Jedes Kation hat sechs Anionen als nächste Nachbarn, und jedes Anion hat sechs Kationen als nächste Nachbarn.
| Strukturbeispiel | Koordination | Bedeutung |
|---|---|---|
| ZnS, Zinkblende | 4 : 4 | Jedes Zn²⁺ ist von vier S²⁻ umgeben und umgekehrt. |
| NaCl | 6 : 6 | Jedes Na⁺ ist von sechs Cl⁻ umgeben und umgekehrt. |
| CsCl | 8 : 8 | Jedes Ion besitzt acht Gegenionen als nächste Nachbarn. |
| CaF₂, Fluorit | 8 : 4 | Jedes Ca²⁺ ist von acht F⁻ umgeben; jedes F⁻ von vier Ca²⁺. |
Merke: Die Koordinationszahl zählt Nachbarn. Die Formel eines Salzes nennt dagegen das kleinste Zahlenverhältnis der Ionen.
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Alles auf einen Blick
Ionengitter
Aufbau
Kationen und Anionen, durch Ionenbindung in alle Richtungen verknüpft
Ordnung
ein Muster, das sich als Fernordnung durch den ganzen Kristall wiederholt
Härte und Schmelzen
starke Anziehung hält die Ionen an ihren Plätzen
Sprödigkeit
verschobene Ebenen bringen gleich geladene Ionen nebeneinander
Leitfähigkeit
nur mit beweglichen Ionen, etwa in einer Lösung oder Schmelze
Beschreibung
Koordinationszahl für nächste Nachbarn, Elementarzelle als wiederkehrende Einheit
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Beobachtungen an Kaliumchlorid mit dem Ionengitter deuten
- 1Gegeben: Kaliumchlorid bildet ein Ionengitter aus K⁺- und Cl⁻-Ionen.
- 2Beobachtung 1: Ein Hammerschlag lässt einen Kristall in Bruchstücke zerspringen, statt ihn zu verbiegen.
- 3Deutung 1: Der Schlag verschiebt Gitterebenen. Gleich geladene Ionen geraten nebeneinander und stoßen sich ab; der Kristall bricht.
- 4Beobachtung 2: Kaliumchlorid schmilzt erst bei etwa 770 °C.
- 5Deutung 2: Beim Schmelzen muss die starke Anziehung zwischen K⁺ und Cl⁻ überwunden werden. Das erfordert viel Energie.
- 6Beobachtung 3: Der feste Kristall leitet keinen Strom, die Schmelze dagegen schon.
- 7Deutung 3: Erst in der Schmelze sind die Ionen beweglich und transportieren Ladung.
Fehler finden
Zinkblende aus der Koordination deuten In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 4Die Koordinationszahl zählt Nachbarn und gehört nicht in die Formel. Die Formel nennt das kleinste Zahlenverhältnis 1 : 1, also ZnS.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
In einem Ionengitter umgeben sich gegenseitig. Weil sich das Muster über große Entfernungen wiederholt, spricht man von . Ein festes Salz leitet keinen Strom, weil seine Ionen sind.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback