Ion

Grundbegriff und Bedeutung

Ein Ion ist ein elektrisch geladenes atomares oder molekulares Teilchen. Seine Ladung entsteht, weil die Anzahl der positiv geladenen Protonen und der negativ geladenen Elektronen nicht übereinstimmt. Die Ladungszahl entspricht einer oder mehreren Elementarladungen.

Positiv geladene Ionen heißen Kationen, negativ geladene Ionen Anionen. In einem elektrischen Feld bewegen sich Kationen zur Kathode, dem Minuspol, und Anionen zur Anode, dem Pluspol. Diese gerichtete Bewegung bildet einen Ionenstrom.

Zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen wirkt elektrostatische Anziehung. Dadurch können Ionengitter und ionische Verbindungen, besonders Salze, entstehen. Bewegliche Ionen transportieren elektrische Ladung und ermöglichen deshalb die elektrische Leitfähigkeit von Salzschmelzen und Elektrolytlösungen.

Ionen kommen außerdem in Plasmen vor. Ein Plasma ist ein ungeordnetes Ensemble aus Ionen und abgespaltenen Elektronen, die sich ähnlich wie Gasteilchen in alle Richtungen bewegen. Im Inneren von Sternen bestehen die Ionen meist aus vollständig ionisierten, also elektronenlosen Atomkernen. Gerichtete schnelle Ionen werden in der Atom-, Kern- und Teilchenphysik untersucht oder genutzt, etwa in Ionenquellen und Teilchenbeschleunigern.

Entstehung von Ionen

Atomare Ionen entstehen aus neutralen Atomen, wenn diese Elektronen abgeben oder aufnehmen. Für die Entfernung von Elektronen muss Ionisierungsenergie aufgewendet werden. Bei der Aufnahme eines Elektrons wird eine als Elektronenaffinität bezeichnete Energie umgesetzt.

Elektronenabgabe erzeugt einen Elektronenmangel und damit ein positiv geladenes Kation. Elektronenaufnahme erzeugt einen Elektronenüberschuss und damit ein negativ geladenes Anion. Bestimmte Ionen sind energetisch begünstigt, weil die Aufnahme oder Abgabe eines weiteren Elektrons deutlich mehr Energie erfordern würde. Zur qualitativen Erklärung dienen unter anderem die Oktettregel und die Elektronenkonfiguration. Typische begünstigte Konfigurationen sind s², s²p⁶, die Edelgaskonfiguration, d¹⁰ und d¹⁰s².

Molekülionen oder mehratomige Ionen entstehen aus Molekülen, indem diese Elektronen oder kleinere Ionen aufnehmen oder abspalten. Bei Säure-Base-Reaktionen werden wichtige Molekülionen durch die Übertragung von Wasserstoff-Kationen gebildet. Ein Beispiel ist das Nitrat-Ion NO₃⁻ aus Salpetersäure HNO₃. In der organischen Chemie können auch größere Gruppen übertragen werden, etwa bei der Bildung des Tetraethylammonium-Ions aus Triethylamin. Geladene Komplexverbindungen werden als Komplexionen bezeichnet.

Beim Lösen eines Salzes werden bereits vorhandene Ionen voneinander getrennt. Mischt man Kochsalz mit Wasser, werden Natrium- und Chloridionen aus dem Ionengitter gelöst und jeweils von Wassermolekülen umgeben. Diese umgebende Schicht heißt Solvathülle; außerdem können sich gelöste Ionenpaare bilden.

Kationen und Anionen

Kationen entstehen unter anderem, wenn Atome mindestens ein Elektron abgeben. Die positive Ladung des Atomkerns bleibt dabei gleich, während negative Ladung verloren geht. Metall-Ionen sind in der Regel positiv geladen.

Beispiele für die Bildung von Kationen sind: • Na → Na⁺ + e⁻ • Mg → Mg²⁺ + 2e⁻ • Al → Al³⁺ + 3e⁻ • Sn → Sn⁴⁺ + 4e⁻

Kationen können auch durch die Aufnahme eines Protons entstehen. Nimmt beispielsweise ein Wassermolekül ein Proton auf, bildet sich das Oxoniumion.

Anionen entstehen unter anderem, wenn Atome mindestens ein Elektron aufnehmen. Der dadurch verursachte Überschuss an negativer Ladung wird von den vorhandenen Protonen nicht ausgeglichen. Nichtmetall-Ionen sind in der Regel negativ geladen.

Beispiele für die Bildung von Anionen sind: • Cl + e⁻ → Cl⁻ • S + 2e⁻ → S²⁻

Anionen können außerdem durch die Abgabe eines Protons entstehen. Gibt ein Wassermolekül ein Proton ab, entsteht das Hydroxidion. Ionen mit mehr als drei Unter- oder Überschussladungen kommen in der Chemie nur selten vor.

Schreibweise und Eigenschaften

Die Ionenladung gibt an, wie viele positive oder negative elektrische Ladungen ein Ion besitzt. Sie steht als hochgestellte arabische Ziffer mit anschließendem Plus- oder Minuszeichen am Elementsymbol beziehungsweise an der Molekülformel. Die allgemeine Form lautet Aⁿ⁻ beziehungsweise Aⁿ⁺. Bei einer einfachen Ladung wird die Zahl 1 weggelassen: Na⁺ bezeichnet ein Natrium-Ion. Weitere Beispiele sind S²⁻ für ein Sulfid-Ion und NH₄⁺ für das mehratomige Ammonium-Ion. Bei Molekülionen kann die Valenzstrichformel in eckige Klammern gesetzt und die Ladung rechts oben hinter der Klammer angegeben werden.

In der Spektroskopie werden Spektren ionisierter Atome mit römischen Zahlen bezeichnet. Die Spektrallinien des neutralen Atoms erhalten die Zahl I. „He I“ bezeichnet daher neutrales Helium, während „C IV“ für dreifach ionisierten Kohlenstoff steht.

Der Radius eines Ions unterscheidet sich vom Radius des zugehörigen neutralen Atoms. Der Kationenradius ist kleiner, weil äußere Atomorbitale nicht mehr besetzt sind. Der Anionenradius ist meistens größer, weil äußere Orbitale mit zusätzlichen Elektronen aufgefüllt oder weitere Orbitale besetzt werden. Wie stark ein Ion eine chemische Bindung polarisiert, hängt vom Verhältnis seiner Ladung zu seinem Radius ab. Ein cyclisches Ion besitzt eine Ringstruktur.

Vorkommen und Anwendungen

In festen Salzen sind unterschiedlich geladene Ionen durch Ionenbindungen zu einem Gitter verbunden. In einer Salzschmelze sind sie beweglich. Wird ein Salz in einem polaren Lösemittel wie Wasser gelöst, zerfällt das Ionengitter ebenfalls und die Ionen können sich in der Lösung bewegen. Für Natriumchlorid gilt: NaCl(s) → Na⁺(aq) + Cl⁻(aq) Der Index „s“ steht für lateinisch solidus oder englisch solid, also „fest“. „aq“ bedeutet aquatisiert.

Lösungen mit ionischen Stoffen heißen Elektrolyte. Sie leiten Strom, weil sich ihre Ionen translatorisch, also von einem Ort zu einem anderen, bewegen können. Angaben über diese Bewegung, beispielsweise der Diffusionskoeffizient oder die Beweglichkeit μ in einem elektrischen Feld, lassen sich mit Feldgradienten-NMR-Methoden bestimmen. Die Beweglichkeit μ kann auch mit der klassischen Methode der „Bewegten Grenzfläche“ gemessen werden.

Elektrolytlösungen sind für Zellen und Organismen entscheidend. Sie ermöglichen elektrische Vorgänge an Membranen und damit deren Erregbarkeit, insbesondere Membranpotential und Aktionspotential. Elektrolyte spielen außerdem eine wichtige Rolle im Stoffwechsel und in Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien. Im Blut stabilisieren sie den Säure-Basen-Spiegel und regulieren die Nerven- und Muskelfunktion.

Natürliche Ionen treten unter anderem im Sonnenwind, beim Rekombinationsleuchten von Meteoren, bei Polarlichtern, Gewitterblitzen und Elmsfeuern auf. Gasionen sind an Leitungsvorgängen in Leuchtstofflampen und anderen Gasentladungen wie elektrischen Funken und Blitzen beteiligt. Ein fast oder vollständig ionisiertes Gas heißt Plasma. Ionisierte Edelgase können Ionenbindungen bilden; Edelgas-Halogenid-Verbindungen werden in Excimerlasern verwendet.

Ein Molekül mit mindestens zwei funktionellen Gruppen kann an einer Stelle positiv und an einer anderen negativ geladen, insgesamt aber neutral sein. Solche polaren Moleküle heißen Zwitterionen. Aminosäuren können wegen ihrer Aminogruppe und ihrer Carbonsäuregruppe als Zwitterionen auftreten. Abhängig vom pH-Wert kann ein solches Molekül in Lösung insgesamt auch positiv oder negativ geladen sein.