Ion

Ein Ion ( / ˈ aɪ . ɒ n , - ən / ) ^{[ 1 ]} ist ein Atom oder Molekül mit einer elektrischen Nettoladung . Die Ladung eines Elektrons wird per Konvention als negativ betrachtet; diese Ladung ist gleich groß und entgegengesetzt zur Ladung eines Protons , das per Konvention als positiv betrachtet wird. Die Nettoladung eines Ions ist nicht null, da die Gesamtzahl seiner Elektronen nicht der Gesamtzahl seiner Protonen entspricht.

Ein Kation ist ein positiv geladenes Ion mit weniger Elektronen als Protonen ^{[ 2 ]} (z. B. K⁺ ⁽ Kaliumion ) ), während ein Anion ein negativ geladenes Ion mit mehr Elektronen als Protonen ist ^{[ 3 ]} (z. B. Cl⁻ ⁽ Chloridion ) und OH⁻ ⁽ Hydroxidion ) ). Entgegengesetzte elektrische Ladungen ziehen sich aufgrund elektrostatischer Kräfte an , sodass Kationen und Anionen sich gegenseitig anziehen und leicht ionische Verbindungen bilden . Ionen, die nur aus einem einzigen Atom bestehen, werden als einatomige Ionen , Atomionen oder einfache Ionen bezeichnet, während Ionen, die aus zwei oder mehr Atomen bestehen, als mehratomige Ionen oder Molekülionen bezeichnet werden .

Die Nettoladung eines Ions wird als hochgestellter Index rechts angegeben. Um eine Ladung von +1 bzw. −1 anzuzeigen, wird jeweils nur ein + bzw. − geschrieben, wie beispielsweise bei Na⁺ ⁽ Natriumion ) und F⁻.⁻( Fluoridion ). Um eine höhere Ladung anzuzeigen, wird die Anzahl der zusätzlichen oder fehlenden Elektronen angegeben, wie in O zu sehen.²⁻ ₂( Peroxid , negativ geladen, mehratomig) und He ²⁺ ( Alphateilchen , positiv geladen, einatomig). ^{[ 4 ]}

Bei der physikalischen Ionisation in einem Fluid (Gas oder Flüssigkeit) entstehen durch spontane Molekülkollisionen Ionenpaare, wobei jedes Paar aus einem freien Elektron und einem positiven Ion besteht. ^{[ 5 ]} Ionen entstehen auch durch chemische Reaktionen, beispielsweise durch das Auflösen eines Salzes in Flüssigkeiten, oder auf andere Weise, etwa durch das Leiten von Gleichstrom durch eine leitfähige Lösung, wodurch eine Anode durch Ionisation aufgelöst wird .

Das Wort Ion leitet sich vom Neutrum des Partizip Präsens des griechischen ἰέναι ( ienai ) ab, was „gehen“ bedeutet. Ein Kation ist ein Teilchen, das sich nach unten bewegt ( griechisch : κάτω , kato , „hinunter“), und ein Anion ist ein Teilchen, das sich nach oben bewegt ( griechisch : ἄνω , ano , „hinauf“). Sie werden so genannt, weil sich Ionen zur Elektrode mit der entgegengesetzten Ladung bewegen. Dieser Begriff wurde 1834 (nach einem Vorschlag des englischen Universalgelehrten William Whewell ) ^{[ 6 ]} von dem englischen Physiker und Chemiker Michael Faraday für die damals unbekannten Spezies eingeführt, die durch ein wässriges Medium von einer Elektrode zur anderen wandern . ^{[ 7 ] [ 8 ]} Faraday kannte die Natur dieser Spezies nicht, wusste aber, dass sich Metalle an einer Elektrode in Lösung lösten und an der anderen Elektrode neues Metall aus der Lösung austrat. dass sich eine Substanz durch die Lösung in einem Stromfluss bewegt hat. Dadurch wird Materie von einem Ort zum anderen transportiert. In seinem Briefwechsel mit Faraday prägte Whewell außerdem die Begriffe Anode und Kathode sowie Anion und Kation als Ionen, die von den jeweiligen Elektroden angezogen werden. ^{[ 6 ]}

Svante Arrhenius lieferte in seiner Dissertation von 1884 die Erklärung dafür, dass sich feste, kristalline Salze beim Auflösen in geladene Teilchenpaare aufspalten . Dafür erhielt er 1903 den Nobelpreis für Chemie. ^{[ 9 ]} Arrhenius erklärte, dass sich das Salz beim Lösen in Faraday-Ionen aufspaltet. Er postulierte, dass sich diese Ionen auch ohne elektrischen Strom bilden. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

Ionen im gasförmigen Zustand sind hochreaktiv und reagieren schnell mit Ionen entgegengesetzter Ladung zu neutralen Molekülen oder ionischen Salzen. Ionen entstehen auch im flüssigen oder festen Zustand, wenn Salze mit Lösungsmitteln (z. B. Wasser) reagieren und eine Solvathülle bilden . Diese solvatisierten Ionen sind stabiler, da sich Energie und Entropie verändern, wenn sich die Ionen voneinander entfernen und mit der Flüssigkeit interagieren. Diese stabilisierten Spezies kommen häufiger in der Umwelt bei niedrigen Temperaturen vor. Ein gängiges Beispiel sind die Ionen im Meerwasser, die aus gelösten Salzen stammen.

Als geladene Objekte werden Ionen von entgegengesetzten elektrischen Ladungen (positiv von negativ und umgekehrt) angezogen und von gleichnamigen Ladungen abgestoßen. Ihre Bahnen können durch ein Magnetfeld abgelenkt werden .

Elektronen bestimmen aufgrund ihrer geringeren Masse und ihrer damit verbundenen größeren Raumfüllungseigenschaften als Materiewellen die Größe von Atomen und Molekülen, die überhaupt Elektronen besitzen. Anionen (negativ geladene Ionen) sind daher größer als das entsprechende Molekül oder Atom, da sich die überschüssigen Elektronen gegenseitig abstoßen und zur physikalischen Größe des Ions beitragen, da dessen Größe durch seine Elektronenhülle bestimmt wird . Kationen sind aufgrund der kleineren Elektronenhülle kleiner als das entsprechende Atom oder Molekül. Ein bestimmtes Kation (das des Wasserstoffs) enthält keine Elektronen und besteht daher aus einem einzigen Proton – viel kleiner als das Wasserstoffatom.

Anion (−) und Kation (+) bezeichnen die elektrische Nettoladung eines Ions. Ein Ion mit mehr Elektronen als Protonen, das dadurch eine negative Nettoladung trägt, wird als Anion bezeichnet; das Minuszeichen „Anion (−)“ kennzeichnet diese negative Ladung. Bei einem Kation verhält es sich genau umgekehrt: Es besitzt weniger Elektronen als Protonen und trägt daher eine positive Nettoladung, weshalb es als „Kation (+)“ bezeichnet wird.

Da die elektrische Ladung eines Protons betragsmäßig gleich der Ladung eines Elektrons ist, entspricht die Nettoladung eines Ions der Anzahl der Protonen im Ion abzüglich der Anzahl der Elektronen.

EinEin Anion (−) ( / ˈ æ n ˌ aɪ . ən / ANN -eye-ən , vom griechischen Wort ἄνω ( ánō ), was „oben“ bedeutet ^{[ 13 ]} ) ist ein Ion mit mehr Elektronen als Protonen, wodurch es eine negative Nettoladung trägt (da Elektronen negativ und Protonen positiv geladen sind). ^{[ 14 ]}

AEin Kation (+) ( / ˈ k æ t ˌ aɪ . ən / KAT -eye-ən , vom griechischen Wort κάτω ( kátō ), was „unten“ bedeutet ^{[ 15 ]} ) ist ein Ion mit weniger Elektronen als Protonen, wodurch es eine positive Ladung erhält. ^{[ 16 ]}

Für Ionen mit mehreren Ladungen gibt es weitere Bezeichnungen. Beispielsweise wird ein Ion mit einer Ladung von −2 als Dianion und ein Ion mit einer Ladung von +2 als Dikation bezeichnet . Ein Zwitterion ist ein neutrales Molekül mit positiven und negativen Ladungen an verschiedenen Stellen innerhalb des Moleküls. ^{[ 17 ]}

Kationen und Anionen werden anhand ihres Ionenradius vermessen und unterscheiden sich in ihrer relativen Größe: „Kationen sind klein, die meisten haben einen Radius von weniger als 10⁻¹⁰ ^m (10⁻⁸ ^cm ). Die meisten Anionen hingegen sind groß, so auch das häufigste Erdalkali-Anion, Sauerstoff . Daraus ergibt sich, dass der größte Teil des Kristallgitters von den Anionen eingenommen wird und die Kationen in die Zwischenräume passen.“ ^{[ 18 ]}

Die Begriffe Anion und Kation (für Ionen, die während der Elektrolyse zur Anode bzw. Kathode wandern) wurden 1834 von Michael Faraday nach Rücksprache mit William Whewell eingeführt .

Ionen sind in der Natur allgegenwärtig und für vielfältige Phänomene verantwortlich, von der Lumineszenz der Sonne bis zur Existenz der Ionosphäre der Erde . Atome im ionischen Zustand können eine andere Farbe als neutrale Atome aufweisen; so bestimmt beispielsweise die Lichtabsorption durch Metallionen die Farbe von Edelsteinen . Sowohl in der anorganischen als auch in der organischen Chemie (einschließlich der Biochemie) ist die Wechselwirkung von Wasser und Ionen häufig relevant für das Verständnis von Systemeigenschaften ^{[ 19 ]} . Ein Beispiel für ihre Bedeutung ist der Abbau von Adenosintriphosphat ( ATP ), das die Energie für viele Reaktionen in biologischen Systemen liefert.

Ionen können nicht-chemisch mithilfe verschiedener Ionenquellen erzeugt werden , üblicherweise unter Anwendung hoher Spannungen oder Temperaturen. Diese werden in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt, beispielsweise in Massenspektrometern , optischen Emissionsspektrometern , Teilchenbeschleunigern , Ionenimplantatoren und Ionenantrieben .

Als reaktive geladene Partikel werden sie auch zur Luftreinigung durch Zerstörung von Mikroben und in Haushaltsgegenständen wie Rauchmeldern eingesetzt .

Da Signalübertragung und Stoffwechsel in Organismen durch einen präzisen Ionengradienten über Membranen gesteuert werden , trägt die Störung dieses Gradienten zum Zelltod bei. Dies ist ein gängiger Mechanismus, den sich natürliche und künstliche Biozide zunutze machen , darunter die Ionenkanäle Gramicidin und Amphotericin (ein Fungizid ).

Anorganische gelöste Ionen sind ein Bestandteil der gesamten gelösten Feststoffe , einem allgemein bekannten Indikator für die Wasserqualität .

Die ionisierende Wirkung von Strahlung auf ein Gas wird häufig zur Detektion von Strahlung wie Alpha- , Beta- , Gamma- und Röntgenstrahlung genutzt . Bei der ursprünglichen Ionisation in diesen Geräten entsteht durch den Aufprall der Strahlung auf die Gasmoleküle ein Ionenpaar, bestehend aus einem positiven Ion und einem freien Elektron. Die Ionisationskammer ist der einfachste dieser Detektoren und erfasst mithilfe eines elektrischen Feldes alle Ladungen, die durch direkte Ionisation im Gas entstehen. ^{[ 5 ]}

Sowohl das Geiger-Müller-Zählrohr als auch der Proportionalzähler nutzen ein Phänomen, das als Townsend-Lawine bekannt ist , um die Wirkung des ursprünglichen Ionisationsereignisses mittels eines Kaskadeneffekts zu vervielfachen, bei dem die freien Elektronen durch das elektrische Feld genügend Energie erhalten, um durch Ionenbeschuss weitere Elektronen freizusetzen.

Bei der Angabe der chemischen Formel eines Ions ^{[ 20 ]} wird dessen Nettoladung als hochgestellte Zahl direkt nach der chemischen Struktur des Moleküls/Atoms geschrieben. Die Nettoladung wird mit dem Betrag vor dem Vorzeichen angegeben; ein zweifach geladenes Kation wird also als 2+ anstatt +2 geschrieben. Bei einfach geladenen Molekülen /Atomen wird der Betrag der Ladung jedoch weggelassen; beispielsweise wird das Natriumkation als Na⁺ und nicht ^als Na⁺ geschrieben ^.

Eine alternative (und akzeptable) Möglichkeit, ein Molekül/Atom mit mehreren Ladungen darzustellen, besteht darin, die Ladungssymbole mehrfach zu zeichnen. Dies ist häufig bei Übergangsmetallen zu beobachten. Chemiker kreisen das Symbol manchmal ein; dies ist lediglich dekorativ und ändert nichts an der chemischen Bedeutung. Alle drei in der Abbildung gezeigten Darstellungen von ^{Fe²⁺ , Fe²⁺} und Fe⊕⊕ sind daher gleichwertig .

Einatomige Ionen werden , insbesondere in der Spektroskopie , mitunter auch mit römischen Ziffern bezeichnet ; beispielsweise wird das oben gezeigte Fe²⁺ (zweifach positiv geladene ^Ionen ) als Fe(III) , Fe³⁺ oder ^Fe²⁺ bezeichnet (Fe¹⁰ für ein neutrales Fe-Atom, Fe²⁺ für ein einfach ionisiertes Fe²⁺-Ion). Die römische Ziffer gibt die formale Oxidationsstufe eines Elements an, während die hochgestellten indo-arabischen Ziffern die Nettoladung bezeichnen. Die beiden Bezeichnungen sind daher für einatomige Ionen austauschbar, die römischen Ziffern können jedoch nicht auf mehratomige Ionen angewendet werden. Es ist jedoch möglich, die Bezeichnungen für das einzelne Metallzentrum mit denen eines mehratomigen Komplexes zu kombinieren, wie das Beispiel des Uranylions zeigt.

Enthält ein Ion ungepaarte Elektronen , wird es als Radikalion bezeichnet . Wie ungeladene Radikale sind Radikalionen sehr reaktiv. Mehratomige Ionen mit Sauerstoff, wie beispielsweise Carbonat und Sulfat, heißen Oxyanionen . Molekulare Ionen mit mindestens einer Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung werden als organische Ionen bezeichnet . Ist die Ladung eines organischen Ions formal auf ein Kohlenstoffatom konzentriert, spricht man von einem Carbokation (bei positiver Ladung) oder einem Carbanion (bei negativer Ladung).

Einatomige Ionen entstehen durch die Aufnahme oder Abgabe von Elektronen in die Valenzschale (die äußerste Elektronenschale) eines Atoms ^{[ 21 ]} . Die inneren Schalen eines Atoms sind mit Elektronen besetzt, die fest an den positiv geladenen Atomkern gebunden sind und daher nicht an dieser Art chemischer Wechselwirkung teilnehmen. Der Vorgang der Aufnahme oder Abgabe von Elektronen aus einem neutralen Atom oder Molekül wird als Ionisation bezeichnet .

Atome können durch Beschuss mit Strahlung ionisiert werden, doch der in der Chemie häufigste Ionisationsprozess ist der Elektronentransfer zwischen Atomen oder Molekülen. Dieser Transfer wird üblicherweise durch das Erreichen stabiler Elektronenkonfigurationen („abgeschlossene Schalen“) angetrieben . Atome nehmen Elektronen auf oder geben sie ab, je nachdem, welche Reaktion die geringste Energie erfordert.

Ein Natriumatom (Na) besitzt beispielsweise ein einzelnes Elektron in seiner Valenzschale, das zwei stabile, vollständig besetzte innere Schalen mit 2 bzw. 8 Elektronen umgibt. Da diese besetzten Schalen sehr stabil sind, neigt ein Natriumatom dazu, sein zusätzliches Elektron abzugeben und diese stabile Konfiguration zu erreichen, wodurch es zum Natriumkation wird.

${\displaystyle {\ce {Na -> Na+ + e-}}}$

Andererseits besitzt ein Chloratom (Cl) 7 Elektronen in seiner Valenzschale, also eines weniger als die stabile, vollbesetzte Schale mit 8 Elektronen. Daher strebt ein Chloratom danach, ein zusätzliches Elektron aufzunehmen und eine stabile 8- Elektronenkonfiguration zu erreichen , wodurch es zum Chlorid-Anion wird.

${\displaystyle {\ce {Cl + e- -> Cl-}}}$

Diese treibende Kraft bewirkt eine chemische Reaktion zwischen Natrium und Chlor, bei der das „zusätzliche“ Elektron vom Natrium auf das Chlor übertragen wird. Dadurch entstehen Natriumkationen und Chlorid-Anionen. Aufgrund ihrer entgegengesetzten Ladung bilden diese Kationen und Anionen Ionenbindungen und verbinden sich zu Natriumchlorid (NaCl), besser bekannt als Kochsalz.

${\displaystyle {\ce {Na+ + Cl- -> NaCl}}}$

Mehratomige und molekulare Ionen entstehen häufig durch die Aufnahme oder Abgabe von Elementionen wie beispielsweise eines Protons ( H⁺ ⁾ in neutralen Molekülen. Nimmt Ammoniak ( NH₃ ₎ beispielsweise ein Proton ( H⁺ ⁾ auf – ein Vorgang, der als Protonierung bezeichnet wird –, entsteht das Ammonium- Ion ( NH₄⁺) .+4Ammoniak und Ammonium besitzen die gleiche Anzahl an Elektronen und im Wesentlichen die gleiche Elektronenkonfiguration , jedoch besitzt Ammonium ein zusätzliches Proton, das ihm eine positive Nettoladung verleiht.

Ammoniak kann auch ein Elektron abgeben und dadurch eine positive Ladung aufnehmen, wodurch das Ion NH₃ entsteht.+3Dieses Ion ist jedoch instabil, da es eine unvollständige Valenzschale um das Stickstoffatom besitzt, wodurch es zu einem sehr reaktiven Radikalion wird .

Aufgrund der Instabilität von Radikalionen entstehen mehratomige und molekulare Ionen üblicherweise durch Aufnahme oder Abgabe von Elementionen wie ^H⁺ , anstatt durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen. Dadurch kann das Molekül seine stabile Elektronenkonfiguration beibehalten und gleichzeitig eine elektrische Ladung aufnehmen.

Flüssigkeiten mit niedriger Dielektrizitätskonstante (unter 10) eignen sich aus mehreren Gründen nicht optimal zur Ionenbildung. Erstens ist die elektrostatische Anziehung zwischen Kation und Anion in unpolaren Flüssigkeiten deutlich stärker als in Wasser, was eine gut ausgebildete Solvathülle erfordert, um deren sofortige Reaggregation zu verhindern. Moleküle unpolarer Flüssigkeiten können jedoch aufgrund fehlender Dipolmomente keine solche Hülle bilden. Zudem sind viele Elektrolyte in unpolaren Flüssigkeiten unlöslich. Dennoch bewiesen Pionierarbeiten von Onsager, Fuoss und Kraus im 20. Jahrhundert, dass Ionisation in unpolaren Flüssigkeiten möglich ist. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Jüngste Studien von Dukhin und Parlia mit einer Vielzahl von Flüssigkeiten und gelösten Stoffen bestätigten diese Schlussfolgerung und ermöglichten die Formulierung des folgenden Konzepts zur Ionisierung in unpolaren Flüssigkeiten, das sich deutlich von wässrigen Lösungen unterscheidet. ^{[ 24 ]} Um in unpolaren Flüssigkeiten Ionen zu bilden, muss der gelöste Stoff ein Amphiphil sein , bestehend aus einem hydrophoben Schwanz und einem polaren Kopf. Der hydrophobe Schwanz gewährleistet die Löslichkeit. Der polare Kopf liefert die Quelle für die anfängliche Ionenbildung durch Dissoziation. Das auffälligste Merkmal ist die Bildung einer Solvathülle um die Ionen nahezu unmittelbar nach der Dissoziation.

Lösungsmittelmoleküle können keine derartigen Solvatationsschichten bilden. Die neutralen Moleküle des gelösten Stoffes besitzen jedoch Dipolmomente an ihren polaren Enden. Diese Dipole werden unmittelbar nach der Dissoziation von primären Ionen angezogen. Durch diese Anziehung entsteht eine Schicht neutraler Moleküle des gelösten Stoffes um die zentralen Ionen, die als Solvatationsschicht betrachtet werden kann. Solche solvatisierten Ionen ähneln geladenen inversen Mizellen . ^{[ 25 ]} Im Wesentlichen sind amphiphile Moleküle des gelösten Stoffes in unpolaren Flüssigkeiten sowohl Quelle der Dissoziation als auch der Selbstsolvatation, was diese Ionisation deutlich von wässrigen Lösungen unterscheidet.

Dieses Konzept führte zur Entwicklung der Leitfähigkeitstheorie (nichtwässrig) , die experimentelle Daten für eine Vielzahl nichtpolarer Systeme innerhalb von bis zu sieben Größenordnungen beschreibt. ^{[ 26 ]}

Die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron im niedrigsten Energiezustand von einem Atom oder Molekül eines Gases mit geringerer Nettoladung abzulösen, wird als Ionisierungspotenzial oder Ionisierungsenergie bezeichnet . Die n -te Ionisierungsenergie eines Atoms ist die Energie, die benötigt wird, um sein n- tes Elektron abzulösen, nachdem die ersten n − 1 Elektronen bereits abgetrennt wurden.

Jede nachfolgende Ionisierungsenergie ist deutlich größer als die vorherige. Besonders große Anstiege treten auf, nachdem ein bestimmter Block von Atomorbitalen vollständig mit Elektronen besetzt ist. Aus diesem Grund bilden sich Ionen bevorzugt so, dass sie über vollständig besetzte Orbitalblöcke verfügen. Natrium beispielsweise besitzt ein Valenzelektron in seiner äußersten Schale und liegt daher in ionisierter Form üblicherweise als Na⁺ mit einem abgegebenen Elektron vor. Chlor ^hingegen besitzt sieben Valenzelektronen und liegt daher in ionisierter Form üblicherweise als Cl⁻ mit einem aufgenommenen Elektron vor ^. Cäsium weist die niedrigste gemessene Ionisierungsenergie aller Elemente auf, Helium die höchste. ^{[ 27 ]} Im Allgemeinen ist die Ionisierungsenergie von Metallen deutlich niedriger als die von Nichtmetallen . Daher geben Metalle in der Regel Elektronen ab und bilden positiv geladene Ionen, während Nichtmetalle Elektronen aufnehmen und negativ geladene Ionen bilden.

Die Ionenbindung ist eine Art chemischer Bindung , die auf der gegenseitigen Anziehung von entgegengesetzt geladenen Ionen beruht. Gleichnamige Ionen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Daher kommen Ionen normalerweise nicht isoliert vor, sondern verbinden sich mit Ionen entgegengesetzter Ladung zu einem Kristallgitter . Die so entstehende Verbindung wird als Ionenverbindung bezeichnet und durch Ionenbindung zusammengehalten . In Ionenverbindungen ergeben sich charakteristische Abstände zwischen benachbarten Ionen, aus denen sich die räumliche Ausdehnung und der Ionenradius einzelner Ionen ableiten lassen.

Die häufigste Art der Ionenbindung findet sich in Verbindungen von Metallen und Nichtmetallen (mit Ausnahme der Edelgase , die selten chemische Verbindungen eingehen). Metalle zeichnen sich dadurch aus, dass sie einen geringen Überschuss an Elektronen gegenüber einer stabilen, abgeschlossenen Elektronenschale besitzen . Daher neigen sie dazu, diese überschüssigen Elektronen abzugeben, um eine stabile Konfiguration zu erreichen. Diese Eigenschaft wird als Elektropositivität bezeichnet. Nichtmetalle hingegen weisen eine Elektronenkonfiguration auf , die nur wenige Elektronen von einer stabilen Konfiguration entfernt ist. Daher neigen sie dazu, weitere Elektronen aufzunehmen, um eine stabile Konfiguration zu erreichen. Diese Tendenz wird als Elektronegativität bezeichnet . Wenn ein stark elektropositives Metall mit einem stark elektronegativen Nichtmetall reagiert, werden die überschüssigen Elektronen der Metallatome auf die elektronenarmen Nichtmetallatome übertragen. Diese Reaktion erzeugt Metallkationen und Nichtmetallanionen, die sich gegenseitig anziehen und ein Salz bilden .