Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.09.10

horizontal rule

3.11 Die Ionenbindung

Ziel: Abschließen des Spektrums

Material:
bulletV 1-2
bulletKugel-Stäbchen-Modell des Kochsalz-Gitters
bulletKochsalz-Gittermodell (Wattekugeln)
bullet selbst gezüchtete Ionenkristalle: NaCl, K/Cr-Alaune, CuSO4, Blutlaugensalze, Phosphat(e)
bulletFerrero-Modell

A: Wovon hängt die Bindungsstärke ab? "Elektronenhunger" (EN) der beteiligten Atome.

Welche Folgen ergeben sich daraus

bulletfür den Zusammenhalt der Atome in Molekülen und
bulletfür ihr chemisches Verhalten?

horizontal rule

3.11.1 Beschreibung

V1: Synthese von AlBr3
M:
bulletStativ, Muffe, Halter
bulletBrom
bulletAluminium-Späne
bulletRG groß
bulletBecherglas 400ml mit Sand
bulletStopfen
bulletSpritzflasche
D: ca. 1ml Brom ins RG, einige Al-Späne einwerfen. Vorsicht: Reaktion startet mit Verzögerung!
B:
  1. Aluminium reagiert heftig unter Flammenerscheinung.
  2. Es entsteht ein weißes, pulveriges Produkt.
  3. Das Produkt reagiert mit Wasser unter Zischen.

Ergebnis:

2 Al + 3 Br2 ----> 2 AlBr3 dH<0
Al-Atome   Br-Moleküle   Aluminiumbromid  
Element   Element   Verbindung  

A: Reaktionstyp?

Betrachten wir die Bindungselektronen genauer:

Tafelskizze / Folie: Kugelwolkenmodell AlBr3

Br ist der größere "Geizkragen" und wird die Bindungselektronen mehr zu sich herziehen. Bei einer EN-Differenz von 2-2.5 ist die Polarisierung noch vollkommen, d.h. es entstehen Ionen:

AlBr3 ------> Al3+ + 3 Br-
    Aluminiumkation   Bromidanion
Verhältnisformel   Ionenschreibweise

Ab einem dEN von ca. 1.8 entsteht eine Ionenbindung. Das elektronegativere Atom beansprucht das ganze Bindungselektronenpaar für sich: es entstehen Anionen und Kationen.

Die Ionenbindung kann folgerichtig nicht mit Valenzstrichformeln dargestellt werden. Zulässig ist lediglich die Verhältnisformel oder die Ionenschreibweise.

horizontal rule

3.11.2 Die Größe von Atomen und Ionen

Demonstration Kristalle 1: Alaun-Kristalle

Ziel: Antwort auf die Frage: Woher "wissen" Ionen, wie sie sich anordnen müssen, um ein so regelmäßiges Kristallgitter zu bilden?

Bevor man voraussagen kann, wie sich "Ionenkügelchen" im festen Aggregatzustand gruppieren werden (also welche Kristallform sie bilden), muss man ihre Größe kennen: sind sie alle gleichgroß, haben wir ein Erklärungsproblem; sind sie unterschiedlich groß, könnte das ein Erklärungsansatz sein.

Demonstration: Kugel-Stäbchen-Modell des Kochsalzes

Dazu ist es als erstes nötig, die Vorstellung von den Atomen und Ionen zu überprüfen:

  1. Atome sind "Kügelchen" bestehend aus einem Kern und einer Schale mit unterschiedlichen Energieniveaus.
  2. Ionen sind "geladene Kügelchen", mit zu wenig (Kationen) oder zu viel Elektronen (Anionen).

A: Wovon hängt die Größe eines Atoms ab? Kern oder Schale?

A: Wo ist das kleinste, wo das größte bekannte Atom im PSE zu finden?

Folie: Periodensystem, Teil Atomradien.

Die Größe von Atomen hängt im Wesentlichen von der Anzahl der Elektronenschalen ab.

Sie wird als Radius mit der Einheit 1 pm = 10-12 m angegeben.

Hinweis 1: 1 pm = 10-12m

Hinweis 2:  rH = 30 pm

bulletWürde man 1mm und ein H-Atom um den gleichen Faktor vergrößern, so dass das H-Atom 3 mm groß würde, so würde der mm 2.5mal um den Äquator reichen (100.000 km).
bulletMit 30pm ist das H-Atom um den Faktor 10.000 zu klein, als dass es mit dem besten Elektronenmikroskop gesehen werden könnte.

A: Gibt es eine Gesetzmäßigkeit, der die Größe der Atome folgt?

Der Atomradius nimmt:

bulletinnerhalb der Perioden von links nach rechts ab, da die steigende Kernladung die Schalen immer stärker zu sich heranzieht;
bulletin den Gruppen von oben nach unten zu, da die Zahl der Elektronenschalen zunimmt.

A: Treffen Sie Voraussagen, ausgehend von den Atomradien: wie verhalten sich die entsprechenden Ionenradien?

Folie: Periodensystem, Teil Ionenradien

Metalle geben Elektronen ab und bilden Kationen. Je höher ihre Ladung ist, umso kleiner ist ihr Radius. Grund:

bulletdie erhöhte Kernladung zieht die Elektronenschalen stärker an
bulletes fehlen die Elektronen der letzten Schale.

Innerhalb einer Gruppe nimmt der Kationenradius von oben nach unten zu (es gibt mehr Schalen).

Nichtmetalle nehmen Elektronen auf und bilden Anionen. Je höher ihre Ladung ist, umso größer ist ihr Radius. Grund:

bulletdie verminderte Kernladung vermag die Elektronenschalen nicht so stark anzuziehen
bulletdie letzte Schale ist mit Elektronen aufgefüllt.

Innerhalb einer Gruppe nimmt auch der Anionenradius von oben nach unten zu (es gibt mehr Schalen).

Hinweis: je höher die Ladung eines Ions wird, umso instabiler ist es, d.h. um so seltener tritt es auf.

horizontal rule

3.11.3 Ionengitter

Folie: Schneeflocken

Zurück zur Frage: woher "weiß" der Kristall, was er tun muss, um so regelmäßig zu wachsen?

V2: Der Kristallisiervorgang
M:
bulletFerrero Rocher + Dose
bulletDosendeckel
bullethalb so kleine Kugeln
bulletOHP
D1: Nur große Kugeln in den Dosendeckel geben.
B1: Kugeln ordnen sich von selbst in regelmäßigen Mustern an.
I1: Treibende Kraft ist dabei die elektrostatische Anziehung und die (angenommene) Kugelform der Ionen.
D2: Kleine Kugeln dazugeben (Lücken).
B2: Die kleinen Kationen sitzen in den Lücken zwischen den großen Anionen.

Hinweis: Wird ohne Deckel auf der OHP-Fläche operiert, muss im Modell ein Rahmen verwendet werden, weil zwischen den Kugeln keine Anziehung besteht wie zwischen Anionen und Kationen.

Die elektrostatische Anziehung der Ionen wirkt in alle Raumrichtungen.

Deshalb entstehen nicht nur Ketten oder Schichten sondern dreidimensionale Strukturen: Kristalle.

Die Entfernung der Schichten wird von einem Kompromiss bestimmt:

bulletgegenseitigen Abstoßung der großen Anionen auf Grund gleicher Ladung (trotz Ausgleich durch Kationen) und dem
bulletBestreben, eine möglichst dichte Packung der Ionen zu erreichen.

Die regelmäßige Anordnung von Ionen in Kristallen nennt man Ionengitter. Alle Salze bilden in festem Zustand Ionengitter aus.

Durch die elektrostatische Anziehung entstehen "Riesenmoleküle": Kristalle mit unzähligen (aber bestimmbaren Anzahlen) Anionen und Kationen.

Demonstration: Kochsalz-Gittermodell; jedes Ion ist von 6 entgegengesetzt geladenen Ionen umgeben.

A: Welches Kation gehört zu welchem Anion? Nicht feststellbar. Deshalb:

Im Ionengitter (und in Ionenschmelzen) gibt es keine Moleküle. Die Formel (z.B. NaCl) gibt bei Ionenverbindungen das Zahlenverhältnis von Kationen zu Anionen an und heißt deshalb Verhältnisformel.

Hinweis: Bei Molekülen ist jederzeit feststellbar, welche Atome zusammengehören: NH3, O2, SO2, SO42-.

Demonstration Kristalle 2: selbst gezüchtete Kristalle (Kupfersulfat, Chimären, Kochsalz).

Exkurs: Vorgang des Wachstums bei unbelebter Materie

Nicht alle Kristalle bestehen aus Ionen.

A: Wovon hängt die Bindungsstärke ab?

Die Bindungsstärke hängt im Wesentlichen von der Ladung der Ionen im Gitter ab: je höher die Ladungen umso größer ist sie.

horizontal rule

Zusammenfassung:

Eigenschaften von Ionengittern sind:

bulletDer Zusammenhalt der Teilchen (Ionen) geschieht über elektrostatische Anziehung.
bulletDas Verhältnis von Anionen zu Kationen ist eine Konstante und hängt von ihrer Wertigkeit ab; die Wertigkeit von Ionen entspricht genau ihrer Ladung.
bulletIonengitter sind nach außen hin neutral.
bulletFormeln für Ionenverbindungen geben das Verhältnis von Anionen und Kationen wider (Verhältnisformel, Bruttoformel).
bulletSie sind spröde.
bulletSie lösen sich gut in Wasser.

Eine Erklärung der beiden letzten Eigenschaften folgt im Verlauf der nächsten Einheiten.

horizontal rule

    E-Mail an: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de