Ionenverbindungen sind Salze

Stoffe, die aus Ionen aufgebaut sind (Ionenverbindungen), nennt man Salze. Salze bilden Kristalle, da sich die Kationen und Anionen des Salzes durch die gegeseitige Anziehung (die in alle drei Raumrichtungen wirkt) regelmäßig anordnen.

Die Umkehrung gilt nicht, da auch ungeladene Stoffe Kristalle bilden können (z.B. Zucker).

Salze zerbrechen auf Schlag, weil durch den Schlag Ionen verschoben werden und somit gleichartig geladene Ionen nebeneinander zu liegen kommen - diese stoßen sich ab, der Kristall zerbricht.

Da Metalle aus Atomen aufgebaut sind, lassen sich Metall(bleche) biegen und verformen - durch den äußeren Druck verschieben sich zwar die Atome gegeneinander, die Umgebung jedes einzelnen Atoms bleibt aber gleich.

In jedem Salzkristall sind die Ionen regelmäßig angeordnet. Jedes Salz hat seine eigene, spezifische Kristallstruktur. Die Daten für die Kristallstruktur gewinnt man beim Röntgen von Kristallen (Röntgenstrukturanalyse).

Salzlösungen und Salzschmelzen leiten den elektrischen Strom, da dann bewegliche Ladungsträger vorhanden sind. Salzkristalle leiten daher den elektrischen Strom nicht.

Zum Schmelzen muss soviel Energie zugefügt werden, dass die starken Bindungskräfte (Anziehung der entgegengesetzten Ladung) überwunden wird.

Beispiele für Schmelztemperaturen: NaCl 801°C, MgSO₄ 1124°C

NaHCO₃ schmilzt nicht, sondern zerfällt bei 66°C in Natriumcarbonat, Wasser und Kohlenstoffdioxid, Na₂S₂O₃5H₂O schmilzt nicht, sondern löst sich bei 45-50°C in seinem eigenen Kristallwasser.

Viele Salze lösen sich gut in Wasser, es gibt aber auch schwerlösliche Salze.

Beim Lösen bildet sich um die Ionen eine Hydrathülle. Die Wassermoleküle lagern sich also je nach Ladung mit unterschiedlichen Seiten um die Ionen.

Da das Sauerstoffatom im Wassermolekül leicht negativ geladen ist, zeigen die Sauerstoffatome immer zu den Kationen. Die Wasserstoffatome in den Wassermolekülen sind immer leicht positv geladen, diese zeigen dann immer zu den Anionen.

Eine Hydrathülle besteht immer aus mehreren Schichten der Wassermoleküle.

Salze können auf unterschiedlichem Weg hergestellt werden:

1. durch die Reaktion von Elementen (Metall mit Nichtmetall)
2. durch die Reaktion eines Metalls mit einer Säure
3. durch die Reaktion von Säure und Lauge

Im ersten Fall tauschen die Atome der Elemente Elektronen aus, im zweiten Fall gibt das Metall Elektronen an die Wasserstoffprotonen der Säure und im dritten Fall werden keine Elektronen sondern ganze Ionen ausgetauscht.

Wenn Metalle und Nichtmetalle miteinander reagieren, bilden sich Salze. Aus den reagierenden Atomen werden dabei durch Elektronenübergänge Ionen: Die Metalle geben je nach Stellung im Periodensystem ein bis drei Elektronen ab und werden zu positiv geladenen Kationen, die Nichtmetalle nehmen je nach Stellung im Periodensystem ein bis drei Elektronen auf und werden zu negativ geladenen Anionen.

Durch diese Elektronenübertragung erreichen beide Reaktionspartner den sogenannten Edelgaszustand. Die Elektronenhülle der Metallionen entspricht dann genau der Hülle des Edelgases, dass im Periodensystm eine Periode über dem jeweiligen Metall steht. Und die Elektronenhülle der Nichtmetallionen entspricht dann genau der Hülle des Edelgases, das in der gleichen Periode wie das jeweilige Nichtmetall steht.

Salzbildungsreaktionen sind exotherm, es wird bei der Salzbildungsreaktion also Energie (in Form von Licht und Wärme) frei.

Metalle geben bei der Ionenbildung die Elektronen ihrer äußersten Schale ab - die Zahl kann man bei den Hauptgruppenelementen an der Hauptgruppennummer ablesen. Durch die Elektronenabgabe hat das jeweilige Ion im Vergleich zum Metallatom eine Schale weniger, der Ionenradius ist also kleiner als der Atomradius.

Nichtmetalle nehmen bei der Ionenbildung soviele Elektronen auf, bis die äußerste Schale mit acht Elektronen gefüllt ist (Oktettregel - alle Edelgase bis auf Helium haben acht Elektronen in ihrer äußertsten Schale). Man muss bei den Nichtmetallen also die Hauptgruppennummer (V, VI, oder VII) von acht subtrahieren und erhält so die Anzahl der aufgenommenen Elektronen. Da die äußerste Schale der jeweiligen Ionen im Vergleich zum Nichtmetallatom voller ist, ist hier der Ionenradius größer als der Atomradius.

Salzformeln bestehen dann immer aus Metallkationen und Nichtmetallanionen, das Verhältnis ergibt sich aus den Ionenladungen: deren Summme muss immer Null ergeben.

Beispiele für diese Salzbildungsreaktion sind die Synthese von Natriumchlorid (NaCl) oder Aluminiumbromid (AlBr₃) aus den Elementen.

Bei diesen Reaktionen wird viel Energie in Form von Licht und Wärme frei.

Bei den Reaktionsgleichungen kann man das Ausgleichen üben, da die Elemente der 7. Hauptgruppe als Moleküle aus jeweils zwei Atomen des Elements vorliegen.

Natrium + Chlor → Natriumchlorid + Energie

2 Na + Cl₂ → 2 Na⁺ + 2 Cl^- + Energie

2 Al + 3 Br₂ → 2 Al ³⁺ + 6 Cl^- + Energie

Für beide Reaktionen lassen sich bei YouTube Filmchen finden, die den Reaktionsverlauf darstellen.

Natriumchlorid-Synthese Aluminiumbromid-Synthese

Beispiel: Zink + Schwefelsäure Zinksulfat + Wasserstoff

Kupfersulfat ist kein Reaktionspartner, sondern ein Katalysator. Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie (AE) und beschleunigt dadurch den Reaktionsbeginn. (Bild wird vielleicht noch ergänzt.)

Exkurs zur Schwefelsäure - Protokoll zur Synthese von Zinksulfat

Metall + Säure Salz (Ionen) + Wasserstoff (Molekül)

Zink + Schwefelsäure Zinksulfat + Wasserstoff

Zn Zn²⁺ + 2 e^- H₂SO₄ 2 H⁺ + (SO₄)^2-

also:

Zn + H₂SO₄ Zn²⁺ + (SO₄)^2- + 2 H⁺ + 2 e^-

Aus den Wasserstoffprotonen und den Elektronen entsteht dann Wasserstoffgas:

2 H⁺ + 2 e^- H₂

Diese Reaktion nennt man auch Neutralisation.

Beispiel: Natronlauge + Salzsäure Kochsalz + Wasser

NaOH (aq) + HCl (aq) NaCl (aq) + H₂O

oder in Ionenschreibweise:

Na⁺ (aq) + OH^- (aq) + H₃O⁺ (aq) + Cl^- (aq) Na⁺ (aq) + Cl^- (aq) + 2 H₂O (l)