Die meisten Atome und Moleküle, denen wir begegnen, sind elektrisch neutral, aber Ionen spielen in der Natur eine wichtige Rolle. Diese geladenen Atome können positiv geladene Kationen oder negativ geladene Anionen sein. Kationen und Anionen bilden sich auf unterschiedliche Weise. Bei Kationen hinterlässt der Verlust eines Elektrons eine positive Nettoladung, während bei Anionen die Zugabe eines Elektrons sie mit einer negativen Nettoladung hinterlässt. Verständnis der Prozesse dahinter, einschließlich der Ionisierungsenergie und Elektronenaffinität von verschiedene Atome, hilft Ihnen zu erkennen, warum bestimmte Atome leichter zu Ionen werden als andere und was dazu führt geschehen.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Kationen sind positiv geladene Ionen, die entstehen, wenn ein Atom durch Ionisation ein Elektron verliert. Die dafür benötigte Energiemenge wird als Ionisationsenergie bezeichnet
Anionen sind negativ geladene Ionen, die entstehen, wenn ein Atom ein Elektron aufnimmt. Die Energie bei diesem Vorgang wird als Elektronenaffinität bezeichnet.
Was ist ein Ion?
Atome haben drei Hauptkomponenten: Protonen, Elektronen und Neutronen. Neutronen sind elektrisch neutral, und obwohl sie in der Kernphysik eine wichtige Rolle spielen, sind sie sind für die Bildung von Ionen nicht relevant, da sie die Ladung des Atoms, in dem sie sich befinden, nicht beeinflussen. Protonen sind positiv geladen und besetzen zusammen mit den Neutronen den zentralen Kern des Atoms. Elektronen sind der negativ geladene Teil des Atoms und besetzen eine „Wolke“ um die Außenseite des Kerns. Elektronen und Protonen haben gleiche, aber entgegengesetzte Ladungen, und in den natürlichen Formen der Elemente gibt es jeweils die gleiche Anzahl in einem Atom. Das bedeutet, dass Elemente elektrisch neutral sind, weil sich die Ladungen der Protonen und Elektronen gegenseitig aufheben.
Ein Ion ist ein geladenes Atom. Wenn ein Atom ein Elektron aufnimmt, überwiegt die negative Ladung die positive und das ganze Atom wird negativ geladen. Diese Ionen werden Anionen genannt. Wenn das Atom ein Elektron verliert, gibt es mehr positive Ladung als negative Ladung, und das Atom als Ganzes wird ein positiv geladenes Ion. Dies wird als Kation bezeichnet.
Wie entstehen Kationen?
Kationen entstehen, wenn ein neutrales Atom ein Elektron verliert. Metalle neigen dazu, aufgrund der Anordnung der Elektronen um den Kern herum Elektronen zu verlieren. Elektronen besetzen verschiedene Orbitale um den Kern, und diese können in verschiedene Energieniveaus gruppiert werden. Ein Elektron in einem Orbital mit hohem Energieniveau ist weiter vom Kern entfernt. Atome mit einem vollen äußeren Energieniveau sind stabil, aber wenn es eine kleine Anzahl von Elektronen im äußeren Energieniveau gibt, neigen sie dazu, Elektronen zu verlieren. Die Elektronen in den vollen Energieniveaus „schirmen“ einen Großteil der positiven Ladung vom Kern ab. Dadurch sind die äußeren Elektronen nur schwach an den Kern gebunden.
Kationen werden durch den Prozess der Ionisierung gebildet, wenn dem Elektron genügend Energie zugeführt wird (z. B. durch Licht mit einer ausreichend hohen Energie), um es von der Anziehungskraft des Kerns zu befreien. Die dazu benötigte Energie wird Ionisierungsenergie genannt. Die erste Ionisierungsenergie sagt Ihnen, wie viel Energie Sie benötigen, um ein Elektron zu entfernen; die zweite Ionisierungsenergie sagt Ihnen, wie viel erforderlich ist, um die zweite zu entfernen, und so weiter.
Sie können die Ladung des resultierenden Ions anhand der Gruppe des Periodensystems berechnen, in der sich das Element befindet. Natrium ist beispielsweise in Gruppe 1 und bildet ein Kation mit einer Ladung von +1. Magnesium gehört zur Gruppe 2 und bildet ein Kation mit einer Ladung von +2, nachdem es zwei Elektronen durch Ionisierung verloren hat. Aluminium ist in Gruppe 3 und bildet ein +3-Kation. Elemente der Gruppe 4 bilden keine Ionen, und Elemente höherer Gruppen bilden stattdessen Anionen.
Wie bilden sich Anionen?
Anionen bilden sich durch den entgegengesetzten Prozess zu Kationen. Anstatt ein Elektron zu verlieren, können Nichtmetallatome ein Elektron aufnehmen. Dies liegt daran, dass ihr äußeres Energieniveau fast voll ist. Der Begriff Elektronenaffinität beschreibt die Tendenz neutraler Atome, Elektronen aufzunehmen. Wie die Ionisierungsenergie hat sie Energieeinheiten, aber im Gegensatz zur Ionisierungsenergie hat sie einen negativen Wert weil Energie freigesetzt wird, wenn Elektronen hinzugefügt werden, während sie absorbiert wird, wenn Elektronen entfernt.
Im Allgemeinen haben Elemente in höheren Gruppen (die weiter rechts im Periodensystem) höhere Elektronenaffinitäten, und Elemente in einer höheren Reihe ihrer Gruppen (weiter oben im Periodensystem) haben höhere Elektronen Affinitäten. Die Abnahme der Elektronenaffinität, wenn Sie sich in einer bestimmten Spalte nach unten bewegen, hängt mit der größeren Entfernung zusammen zwischen den äußeren Schalen und dem Kern, sowie die Abschirmung vor den anderen Elektronen bei niedrigerer Energie Ebenen. Die Zunahme der Affinität, wenn Sie sich von links nach rechts bewegen, liegt daran, dass sich die Energieniveaus der vollständigen Belegung nähern.
Bei den Kationen sagt Ihnen die Gruppe des Elements, welche Ladung das entsprechende Anion haben wird. Die resultierende Gebühr ist die Gruppennummer minus acht. Chlor in Gruppe 7 bildet ein Anion mit einer Ladung von -1, und Sauerstoff in Gruppe 6 bildet ein Kation mit einer Ladung von -2.
