Ionen: Ladung, Bildung und Schreibweise verstehen

Protonen im Atomkern sind positiv, Elektronen in der Atomhülle negativ geladen. Beide tragen gleich große, aber entgegengesetzte Ladungen. Neutronen im Kern sind ungeladen und tragen zur Ladungsbilanz nichts bei. Ein neutrales Atom besitzt gleich viele Protonen wie Elektronen. Bei der hier betrachteten Ionenbildung verändert sich nur die Elektronenzahl; die Protonenzahl bleibt gleich.

Für die Ladungsbilanz zählst du ein Proton als $+1$ und ein Elektron als $-1$. So erhältst du die Ladungszahl:

Ladungszahl = Zahl der Protonen − Zahl der Elektronen

Die Ladungszahl gibt die Gesamtladung in Einheiten der Elementarladung an. Das ist der Betrag der Ladung eines Protons oder Elektrons. Die Ladungszahl $+2$ bedeutet also zwei positive Ladungseinheiten.

Ein neutrales Atom kann durch Elektronenabgabe oder Elektronenaufnahme zum Ion werden. Sein Element ändert sich dabei nicht, denn die Protonenzahl bleibt erhalten.

Die folgenden Schemata beschreiben jeweils die Änderung an einem einzelnen neutralen Atom. $e^-$ steht für ein Elektron, $2e^-$ für zwei Elektronen. Der Pfeil zeigt vom Ausgangsteilchen zum Ergebnis.

Die Ladung steht rechts oben am Elementsymbol oder an der Formel der Atomgruppe. Das Vorzeichen zeigt die Ladungsart, die Zahl ihren Betrag.

• $Na^+$: einfach positiv geladen
• $Ca^{2+}$: zweifach positiv geladen
• $Cl^-$: einfach negativ geladen
• $S^{2-}$: zweifach negativ geladen
• $PO_4^{3-}$: dreifach negativ geladen

Bei einer einfachen Ladung lässt du die Zahl 1 üblicherweise weg: Du schreibst $Na^+$ statt $Na^{1+}$.

Im Schalenmodell ordnest du die Elektronen eines Atoms verschiedenen Schalen zu. Die Elektronen auf der äußersten besetzten Schale heißen Außenelektronen.

Die Oktettregel ist eine Faustregel: Viele Atome bilden Verbindungen, in denen sie acht Elektronen auf der Außenschale erreichen. Das hilft dir auch, häufige Ionenladungen vorherzusagen. Edelgaskonfiguration heißt dagegen, dass die Elektronenverteilung der eines Edelgasatoms entspricht.

Natrium besitzt ein Außenelektron. Gibt es dieses ab, wird die darunterliegende, mit acht Elektronen besetzte Schale zur Außenschale. $Na^+$ hat dann die Elektronenverteilung des Edelgases Neon. Chlor besitzt sieben Außenelektronen. Nimmt es eines auf, sind es acht; $Cl^-$ hat dann die Elektronenverteilung des Edelgases Argon.

Natrium wird durch die Elektronenabgabe nicht zu einem anderen Element. Es bleibt Natrium, weil seine Protonenzahl unverändert bleibt. Entsprechend bleibt Chlor nach der Elektronenaufnahme Chlor; das entstandene Anion heißt Chlorid-Ion.

Nein. Ionen können aus einem einzigen Atom oder aus mehreren verbundenen Atomen bestehen.

• Einatomige Ionen: $Na^+$, $Cl^-$, $S^{2-}$
• Mehratomige Ionen: $NH_4^+$ (Ammonium), $OH^-$ (Hydroxid), $PO_4^{3-}$ (Phosphat)

Eine tiefgestellte Zahl zählt die Atome des unmittelbar davorstehenden Elements. Fehlt sie, ist ein Atom gemeint. $NH_4^+$ enthält deshalb ein Stickstoffatom ($N$) und vier Wasserstoffatome ($H$). Das Pluszeichen gilt für die ganze Atomgruppe. Die Formel zeigt ihre Zusammensetzung und Ladung; sie legt keinen bestimmten Bildungsweg fest.

Ein neutrales Molekül wie Wasser, $H_2O$, besteht ebenfalls aus verbundenen Atomen, besitzt aber keine elektrische Gesamtladung. In der Formel eines einzelnen Teilchens erkennst du ein Ion an der hochgestellten Gesamtladung.

Entgegengesetzt geladene Ionen ziehen sich an und können Salze bilden. In einem Salz gleichen sich die positiven und negativen Ladungen insgesamt aus. So enthält Kochsalz, $NaCl$, Natrium- und Chlorid-Ionen, obwohl seine Salzformel keine Ladungszeichen zeigt. Sind Ionen beispielsweise in Wasser gelöst und beweglich, können sie elektrische Ladung transportieren. Bewegliche Ionen spielen deshalb unter anderem in Batterien sowie bei Vorgängen in Nerven und Muskeln eine Rolle.

Du kannst ein Ion nun mit drei Fragen untersuchen: Wie viele Protonen und Elektronen hat es? Welches Vorzeichen trägt es? Besteht es aus einem oder mehreren Atomen?