KSO SALZE UND DIE IONENBINDUNG GF TEIL 1

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1 KSO SALZE UND DIE IONENBINDUNG GF TEIL 1 Skript Salze und Ionenbindung Teil 1 GF V1.0 8/15 MMo, edited by Bor

2 1 INHALTSVERZEICHNIS "SALZE UND IONENBINDUNG Teil 1" 1. Natriumchlorid; DAS Salz Geschichte Verwendung Vorkommen Ein Experiment mit einem Salz Einleitung Bildung einer Ionenbindung Die Bausteine der Ionenbindung Die beteiligten Kationen I Bildung der Kationen der Hauptgruppenelemente Die Nomenklatur der Kationen I Die beteiligten Anionen I Einzelne Anionen Einfache Salze Einführende Beispiele Kalium & Fluor Lithium & Sauerstoff Magnesium & Stickstoff Die Bausteine der Ionenbindung Die beteiligten Kationen II Bildung der Kationen der Nebengruppenelemente Die Nomenklatur der Kationen II Benennung von Salzen... 14

3 2 1. Natriumchlorid; DAS Salz Was umgangssprachlich sehr oft als Salz bezeichnet wird, ist das Speise-, Tafel- oder Kochsalz. Es ist das in der Küche für die menschliche Ernährung verwendete Salz. Es besteht hauptsächlich aus Natriumchlorid. 1.1 Geschichte Bild: Schon im Altertum, also schon vor dem Mittelalter, wurde das Speisesalz zum Konservieren von Lebensmitteln verwendet. Noch bis ins neunzehnte Jahrhundert war das Kochsalz so begehrt, dass viele Städte zu reichen Metropolen heranwuchsen. Wurden Siedlungen in Verbindung mit dem Salz gegründet, versah man deren Namen mit den Bezeichnungen -hall, -sulz oder -salz. Das Salz war lange so rar, dass man dafür Unsummen bezahlen musste und es aus diesem Grund auch als weisses Gold bezeichnet wurde. Da auch Zahlungen wie Löhne in Form von Salz ausgezahlt wurden, bildete sich zu dieser Zeit das Wort Salär. 1.2 Verwendung Bekanntlich verwendet man das Kochsalz zum Würzen von Speisen. Salzlose Speisen schmecken meist fad. Aus diesem Grund spricht man auch vom Salz in der Suppe. In der Medizin wird eine Kochsalzlösung von ungefähr neun Gramm pro Liter Wasser bei Notfällen mit hohem Blutverlust als Blutersatzstoff eingesetzt, da dies ungefähr dem Salzgehalt im Blut entspricht. Viele Mikroorganismen können in salzhaltiger Umgebung nicht leben. Deswegen wird Salz als Konservierungsstoff für Lebensmittel eingesetzt. Eine grosse Bedeutung hat das Streusalz im Winter. Das Salz setzt den Schmelzpunkt des Wassers nach unten und verhindert so ein Gefrieren des Wassers auf den Strassen bei Temperaturen knapp unter dem Gefrierpunkt. Das Ausbringen von Streusalz ist aber bedenklich, da so grosse Mengen an Salz durch das Schmelz- oder Regenwasser in die Natur gelangen und Pflanzen zum Absterben bringen.

4 3 1.3 Vorkommen Wer schon einmal am Meer war, weiss, dass das Meerwasser salzig schmeckt, es enthält Natriumchlorid. Einerseits kann Kochsalz direkt aus dem Meerwasser gewonnen werden. In so genannten Salzgärten wird Meerwasser unter der Wärme der Sonne verdunstet. Zurück bleiben pro tausend Liter Wasser ungefähr 35 Kilogramm Kochsalz. Bild: de.wikipedia.org Es existieren andererseits gewaltige Salzlagerstätten. Diese sind ein Überbleibsel vergangener Weltmeere. Durch Aufwölbungen am Meeresgrund entstanden an der Bild: cms.ni.lo-net2.de Erdoberfläche flache Becken, vergleichbar mit den Becken der Salzgärten. In diesen Becken ist das Meereswasser verdunstet, ohne dass weiteres Meerwasser nachfliessen konnte. Dies führte zu Salzablagerungen, welche durch mit dem Wind mitgeführten Staub und Sand abgedeckt wurden. Aus diesem Grund kann man heutzutage in bestimmten Gebieten sehr grosse Mengen an Salz unter Tage abbauen. Aufgabe I Schauen Sie den Film "Salz - Segen und Fluch des weissen Goldes" und beantworten Sie die Fragen auf dem ausgeteilten Blatt.

5 4 2. Ein Experiment mit einem Salz Aufgabe II Skizzieren und beschriften Sie das Ihnen vorgezeigte Experiment. Aufgabe III Beantworten Sie die folgenden Fragen. a.) b.) c.) d.) Was haben Sie am Pluspol, der Anode, beobachten können? Was haben Sie am Minuspol, der Kathode, beobachten können? Was schliessen Sie daraus für die in der Lösung vorhandenen Bausteine von Zinkiodid? Woran können Sie erkennen, dass es sich bei der Elektrolyse einer Zinkiodid-Lösung um eine chemische Reaktion handelt? Aufgabe IV Lösen Sie das von der Lehrperson ausgeteilte Doppelblatt zur Elektrolyse

6 5 3. Einleitung Im vorangehenden Experiment wurde also beobachtet, dass Salze nicht aus ungeladenen Atomen bestehen. Die Bausteine von Salzen sind geladene Atome, so genannte Ionen. Trotzdem erhält man keinen elektrischen Schlag, kommt man mit einem Salz in Berührung. In einem Salz müssen die positiv geladenen Ionen, die Kationen, und die negativ geladenen Ionen, die Anionen, in einem Anzahlverhältnis zueinander vorkommen, so dass schlussendlich keine überschüssige positive oder negative Ladung übrig bleibt. In Natriumchlorid kommt auf jedes Natrium-Kation ein Chlorid-Anion (ein Anion des Elementes Chlor wird als Chlorid bezeichnet), da das Natrium-Kation eine einfach positive Ladung aufweist und das Chlorid-Anion eine einfach negative Ladung. Natrium-Kation + Chlorid-Anion Natriumchlorid Na + + Cl - NaCl + Bei der letzten Darstellung mit den Lego -Bausteinen soll die eine Lücke beim Baustein für das Natrium-Kation das fehlende Elektron andeuten. Entsprechend hat das Chlorid-Anion ein zusätzliches Elektron und somit eine Ausbuchtung. Die Grundbausteine von Salzen sind also Kationen und Anionen. An dieser Stelle muss natürlich noch einmal in Erinnerung gerufen werden, welche Atome überhaupt Kationen bzw. Anionen ausbilden können. Aufgabe V Welche Elemente bilden bevorzugt Kationen bzw. Anionen aus? Aus welchem Grund?

7 6 4. Bildung einer Ionenbindung Wie der Name schon sagt, sind bei der Ionenbindung Ionen, geladene Atome, beteiligt. Bevor also eine Ionenbindung zustande kommt, müssen in einem ersten Schritt überhaupt erst die Ionen gebildet werden. Auch hier soll als Beispiel die Bildung von Natriumchlorid (NaCl) betrachtet werden. Bei einer zufälligen Annäherung eines Chlor-Atoms und eines Natrium-Atoms wird Na Cl es ab einem bestimmten Abstand von Seiten des Metall-Atoms zu einer Abgabe des einzigen Valenzelektrons kommen. Dieses wird vom Na + Nichtmetall-Atom aufgenommen. Die beiden Ionen haben Edelgaskonfiguration erreicht. Sie ziehen sich nun und erst jetzt gegenseitig durch elektrostatische Kräfte an. Eine Ionenbindung ist entstanden. Die Bildung einer Ionenbindung kann natürlich auch wieder mit den Lego - Bausteinen betrachtet werden. Die beiden aus den Atomen entstehenden Bausteine, das Kation und das Anion, haben Edelgaskonfiguration erreicht. Nunmehr ergänzen sich die beiden Bausteine so, dass sie zusammenhalten und miteinander ein neues kleinstes Teilchen bilden. Dieses Teilchen besitzt keine Ladung, dessen einzelne Bausteine, aus welchen es aufgebaut ist, aber schon. In dieser Darstellung wird etwas Weiteres sehr gut ersichtlich: Die beiden Bausteine würden ohne die Abgabe bzw. die Aufnahme des kleinen Quadrätchens nicht zusammenpassen. Dies gilt auch für die atomare Ebene, für die Atome. Die beiden Atome würden ohne die Übergabe eines Elektrons nicht zusammenhalten, erst die Ionen ziehen sich gegenseitig an. e - Cl -

8 7 5. Die Bausteine der Ionenbindung 5.1 Die beteiligten Kationen I Die für die Ionenbindung benötigten Kationen werden einerseits von Atomen der Metalle der Hauptgruppen und andererseits von den Atomen der Nebengruppen und der Lanthanoide und Actinoide gebildet. Diese beiden Gruppen verhalten sich bei der Abgabe der Elektronen nicht ganz identisch. Letztere werden weiter unten besprochen Bildung der Kationen der Hauptgruppenelemente Die Atome der Metalle der Hauptgruppenelemente geben immer genau so viele Elektronen ab, so dass sie die besonders stabile Edelgaskonfiguration erreichen. Die Anzahl der abgegebenen Elektronen entspricht also genau der Hauptgruppennummer. Nach der Abgabe eines oder auch mehreren Elektronen tragen die Atome eine Ladung. Die Ladung wird rechts oben über dem entsprechenden Atomsymbol hingeschrieben. Aufgabe VI Geben Sie für die nachfolgenden Hauptgruppenelemente die Formel der daraus gebildeten Ionen und die entsprechende Edelgaskonfiguration an. Edelgas- Edelgas- Metall Kation konfiguration Metall Kation konfiguration von von Lithium Li + He Kalium Magnesium Barium Aluminium Rubidium Cäsium Beryllium

9 Die Nomenklatur der Kationen I Die Namensgebung, oftmals auch Nomenklatur genannt, ist für die Kationen um einiges einfacher als diejenige der Anionen. Um einem Ion einen Namen zuzuweisen und dieses dadurch einfacher benennen zu können, wird bei den Metallen der Hauptgruppen ausschliesslich der Name verwendet, welcher im PSE steht. Na + wird bezeichnet als Natrium-Ion 5.2 Die beteiligten Anionen I Die für die Ionenbindung benötigten Anionen werden einerseits von den Atomen der Nichtmetalle gebildet; ausgenommen davon sind natürlich die Edelgase. In der Natur findet man aber andererseits auch sogenannte Komplex-Anionen. Diese Anionen bestehen aus mehreren, miteinander verbundenen Nichtmetall-Atomen. Wie diese gebildet werden, ist an dieser Stelle nicht von Bedeutung. Wichtig ist jedoch deren Ladung. Auf die Komplex-Anionen wird später noch eingegangen Einzelne Anionen Werden Anionen aus den zehn Nichtmetallen (ohne die Edelgase) gebildet, so nehmen die Atome genau so viele Elektronen auf, bis sie die stabile Edelgaskonfiguration erreichen. Es können dabei unten aufgeführte Anionen entstehen. Diese sind auswendig zu lernen. Diese einfachen Anionen tragen im Namen, um sie besser von den Kationen unterscheiden zu können, immer das Suffix id. Aufgabe VII Füllen Sie die Lücken in der Tabelle auf der nächsten Seite.

10 9 Nichtmetall Anion Name Edelgaskonfiguration Kohlenstoff C 4- Carbid Ne Sulfid Hydrid Chlorid Oxid Brom Iod Fluor Nitrid Phosphid 6. Einfache Salze Wie bereits mehrmals besprochen, bestehen Salze aus Kationen und Anionen. Und zwar sind es immer so viele Kationen und Anionen des jeweils gleichen Elementes, so dass das Salz als Ganzes keine Ladung mehr trägt. 6.1 Einführende Beispiele Kalium & Fluor Es soll ein Salz aus Kalium und Fluor hergestellt werden. Dazu muss man sich zuerst überlegen, wie viele Elektronen ein Kalium-Atom abgibt und wie viele Elektronen ein Fluor- Atom aufnimmt; es müssen nicht zwangsläufig gleich viele sein! Das Kalium-Atom hat ein Valenzelektron und gibt es bei der Bildung einer Ionenbindung ab. Das Kalium-Atom wird zum Kalium-Ion K wird zu K + Das Fluor-Atom kann noch ein Elektron in seine Valenzschale aufnehmen. Das Fluor-Atom wird zum Fluorid-Ion F wird zu F - Damit ein ungeladenes Salz entsteht, wird somit je ein Baustein benötigt; ergo ein Kalium- Ion und ein Fluorid-Ion.

11 10 Kalium-Ion + Fluorid-Anion Kaliumfluorid K + + F - KF Lithium & Sauerstoff Es soll ein Salz aus Lithium und Sauerstoff hergestellt werden. Das Lithium-Atom hat ein Valenzelektron und gibt es bei der Bildung einer Ionenbindung ab. Das Lithium-Atom wird zum Lithium-Ion Li wird zu Li + Das Sauerstoff-Atom kann noch zwei Elektronen in seine Valenzschale aufnehmen. Das Sauerstoff-Atom wird zum Oxid-Ion O wird zu O 2- Um ein ungeladenes Salz herzustellen, ist es nicht möglich nur je einen Baustein zu verwenden, da Lithium nur ein Elektron abgeben kann, Sauerstoff aber deren zwei aufnimmt. Um ein ungeladenes kleinstes Teilchen herzustellen, braucht es somit zwei Lithium-Ionen und ein Oxid-Ion. 2 Lithium-Ionen + Oxid-Anion Lithiumoxid 2 Li + + O 2- LiLiO + Werden in der Reaktionsgleichung mehrere gleiche Bausteine verwendet, welche innerhalb des gleichen kleinsten Teilchens vorkommen, so können diese zusammengefasst werden. Die Anzahl der gleichen Bausteine im kleinsten Teilchen wird durch einen Index nach dem Elementsymbol dargestellt.

12 11 Die Reaktionsgleichung 2 Li + + O 2- LiLiO vereinfacht sich somit zu 2 Li + + O 2- Li2O Die Notation Li2 2+ für 2 Li + ist aber nicht zulässig, da die beiden Bausteine nicht zusammengesetzt werden können bzw. nicht im gleichen kleinsten Teilchen vorkommen. Ein Lithium-Ion ist selber schon ein kleinstes Teilchen Magnesium & Stickstoff Aufgabe VIII Stellen Sie für die Reaktion von Magnesium mit Stickstoff die drei Reaktionsgleichungen, mit Worten, mit Symbolen und mit den Bausteinen, auf, so wie Sie dies bei den beiden vorangegangenen Kapiteln gesehen haben.

13 12 7. Die Bausteine der Ionenbindung 7.1 Die beteiligten Kationen II Bildung der Kationen der Nebengruppenelemente, Actinoide und Lanthanoide Anders als bei den Elementen der Hauptgruppen werden bei den Nebengruppenelementen die neu hinzukommenden Elektronen nicht mehr in die äusserste, sondern in die zweitäusserste oder drittäusserste Schale eingefüllt (siehe dazu Skript Das Periodensystem der Elemente ). Dies ist auch der Grund, weshalb bei der Ionisierung dieser Elemente verschieden geladene Kationen auftreten können. Die Anzahl der bei der Ionisierung abgegebenen Elektronen lässt sich nicht mehr voraussagen. Die positive Ladung der Kationen wird auch Oxidationszahl oder Oxidationsstufe genannt. Es wird, im Gegensatz zu den Metallen der Hauptgruppen, bei der Ionisierung der Metall- Atome der Nebengruppen keine Edelgaskonfiguration erreicht. So gibt es z.b. zwei verschiedene Arten von Kupferoxiden. Beide bestehen aus Kupfer und Sauerstoff, haben aber eine unterschiedliche Zusammensetzung, da das Kupfer in beiden Verbindungen eine andere Oxidationsstufe aufweist, also bei der Bildung des Kupferoxids unterschiedlich viele Elektronen abgegeben hat. Aufgabe IX Kupfer-Atome können ein oder zwei Elektronen abgeben. Stellen Sie für die Reaktion von Kupfer mit Sauerstoff die entsprechenden drei Reaktionsgleichungen auf, wie Sie dies bei der vorangehenden Aufgabe getan haben. Auch Nickel kann unterschiedlich viele Elektronen abgeben, es können die Oxidationsstufen zwei oder drei entstehen. Aufgabe X Stellen Sie auch für die Reaktion von Nickel mit Chlor die entsprechenden Reaktionsgleichungen auf.

14 13 An dieser Stelle bleibt nur die Frage offen, weshalb denn beide Stoffe bis anhin den gleichen Namen erhalten, obwohl sie aus anderen Bausteinen und aus anderen kleinsten Teilchen aufgebaut sind. Diese Frage wird im nachfolgenden Kapitel geklärt werden. Zuerst sollen aber in der nachstehenden Tabelle I die möglichen Oxidationsstufen der Nebengruppenelemente der vierten und fünften Periode aufgezeigt werden. Warum bei welchen Elementen so unterschiedliche Oxidationszahlen auftauchen, können wir mit unseren Mitteln nicht voraussagen. Sie sind auch nicht auswendig zu lernen; die Tabelle I soll lediglich einen Überblick geben. Tabelle I Mögliche Oxidationsstufen der Nebengruppenelemente der vierten und fünften Periode. Die hervorgehobenen Oxidationsstufen beim entsprechenden Element kommen am häufigsten vor. Element Oxidationszahlen Sc 3 Ti 3 4 V Cr Mn Fe 2 3 Co Ni 2 3 Cu 1 2 Zn 2 Y 3 Zr 4 Nb 3 5 Mo Tc 7 Ru Rh Pd 2 4 Ag Cd 2 Quelle: Die Nomenklatur der Kationen II Die Elemente der Nebengruppen, die Lanthanoide und die Actinoide können in den allermeisten Fällen verschieden viele Elektronen abgeben. Trotz unterschiedlicher Ladung,

15 14 und somit unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Ionen, würden aus diesem Grund die beiden Ionen den gleichen Namen erhalten. Fe 2+ würde bezeichnet als Eisen-Ion Fe 3+ würde bezeichnet als Eisen-Ion Die beiden Stoffe, welche bei der Reaktion von Eisen mit Chlor entstehen, wären und Eisenchlorid Eisenchlorid FeCl2 FeCl3 und somit vom Namen her nicht auseinanderzuhalten, obwohl beide ganz unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Um dies zu verhindern, muss bei den Elementen der Nebengruppen, den Lanthanoiden und den Actinoiden zusätzlich noch die Oxidationsstufe in römischen Zahlen in Klammern hinten an den Namen angefügt werden. Fe 2+ wird bezeichnet als Eisen(II)-Ion Fe 3+ wird bezeichnet als Eisen(III)-Ion Aufgabe XI Fragen Sie Sich zu zweit (zu dritt) gegenseitig ab, indem Sie ein Kation mit der entsprechenden Ladung hinschreiben und dessen Namen herausfinden, et vice versa. Die beiden Stoffe, welche bei der Reaktion von Eisen mit Chlor entstehen, sind somit und Eisen(II)-chlorid Eisen(III)-chlorid FeCl2 FeCl3 und somit vom Namen her auseinanderzuhalten!

16 15 8. Benennung von Salzen Sie besitzen nunmehr (fast) alle Voraussetzungen für die Benennung von Salzen bzw. für das Aufstellen derer Formeln. Aufgabe XII Benennen Sie folgende Verbindungen. a.) KCl b.) NaI c.) FeCl2 d.) RuCl3 e.) K4C f.) RbBr g.) Fe2O3 h.) InP i.) CoS2 j.) Be3N2 Aufgabe XIII Für die folgenden Verbindungen sind die entsprechenden Formeln anzugeben. a.) Titan(IV)-oxid b.) Kupfer(I)-nitrid c.) Kaliumhydrid d.) Magnesiumphosphid e.) Kupfer(I)-chlorid f.) Lithiumoxid g.) Vanadium(II)-hydrid h.) Mangan(VI)-sulfid i.) Strontiumfluorid j.) Silber(III)-iodid Aufgabe XIV Stellen Sie Sich zu zweit (zu dritt) weitere Übungen zur Nomenklatur von Ionenverbindungen.