Ionenbindung und Ionengitter am Beispiel Natriumchlorid

Einstieg: Aus Gift und Gift wird Speisesalz

Natrium ist ein weiches Metall, das mit Wasser heftig reagiert. Chlor ist ein giftiges, gelbgrünes Gas. Bringt die Lehrkraft geschmolzenes Natrium in einen Standzylinder mit Chlor, leuchtet es grellgelb auf, und an der Glaswand setzt sich weißer Rauch ab. Dieser weiße Feststoff ist Natriumchlorid, also Kochsalz. Es würzt dein Essen und ist lebensnotwendig. Wie kann aus zwei gefährlichen Stoffen ein harmloser werden?

Erklärung: Die Bildung von Natriumchlorid

Die Reaktion von Natrium mit Chlor ist stark exotherm:

$2\,\mathrm{Na} + \mathrm{Cl_{2}} \longrightarrow 2\,\mathrm{NaCl}$

Auf der Teilchenebene laufen zwei Teilschritte ab:

1. Jedes Natriumatom gibt sein Valenzelektron ab: $\mathrm{Na} \longrightarrow \mathrm{Na^{+}} + \mathrm{e^{-}}$
2. Jedes Chloratom des Chlormoleküls nimmt ein Elektron auf: $\mathrm{Cl_{2}} + 2\,\mathrm{e^{-}} \longrightarrow 2\,\mathrm{Cl^{-}}$

Die Elektronen werden also vom Natrium auf das Chlor übertragen. Eine solche Reaktion heißt Elektronenübertragungsreaktion oder Redoxreaktion. Die Elektronenabgabe nennt man Oxidation, die Elektronenaufnahme Reduktion. Beide Teilschritte laufen immer gleichzeitig ab: Das Natrium gibt nur Elektronen ab, wenn das Chlor sie aufnimmt.

Weil die Teilchen ihre Eigenschaften ändern, ändern sich auch die Stoffeigenschaften. Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen haben Edelgaskonfiguration und reagieren nicht mehr wie Natriumatome oder Chlormoleküle. Deshalb ist Kochsalz nicht giftig wie Chlor. Die Stoffe Natrium und Chlor sind im Salz nicht mehr vorhanden.

Erklärung: Ionenbindung und Ionengitter

Positive und negative Ionen ziehen sich elektrisch an. Diese Anziehung zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen heißt Ionenbindung. Sie wirkt nicht nur zwischen zwei Ionen, sondern in alle Richtungen. Jedes Natrium-Ion zieht alle Chlorid-Ionen in seiner Umgebung an und umgekehrt.

So ordnen sich die Ionen zu einem regelmäßigen, dreidimensionalen Ionengitter. Im Natriumchlorid-Gitter ist jedes Natrium-Ion von 6 Chlorid-Ionen umgeben, und jedes Chlorid-Ion von 6 Natrium-Ionen. Diese Zahl heißt Koordinationszahl. Ein Kochsalzkristall enthält unvorstellbar viele Ionen, aber immer im Anzahlverhältnis 1 : 1.

Ein Salz besteht deshalb nicht aus einzelnen Molekülen. Die Formel $\mathrm{NaCl}$ ist eine Verhältnisformel: Sie gibt das Anzahlverhältnis der Ionen im Gitter an.

Die würfelige Form der Kochsalzkristalle, die du mit der Lupe sehen kannst, spiegelt die würfelförmige Anordnung der Ionen im Gitter wider.

Beispiele

Beispiel 1: Magnesium verbrennt

Magnesium verbrennt mit grellweißem Licht zu weißem Magnesiumoxid:

$2\,\mathrm{Mg} + \mathrm{O_{2}} \longrightarrow 2\,\mathrm{MgO}$

Jedes Magnesiumatom gibt 2 Elektronen ab: $\mathrm{Mg} \longrightarrow \mathrm{Mg^{2+}} + 2\,\mathrm{e^{-}}$. Jedes Sauerstoffatom nimmt 2 Elektronen auf: $\mathrm{O_{2}} + 4\,\mathrm{e^{-}} \longrightarrow 2\,\mathrm{O^{2-}}$. Auch das ist eine Elektronenübertragung. Magnesiumoxid ist ein Salz aus $\mathrm{Mg^{2+}}$ und $\mathrm{O^{2-}}$ im Verhältnis 1 : 1. Die Verbrennung, die du aus Klasse 7/8 als Reaktion mit Sauerstoff kennst, lässt sich so mit Elektronen deuten.

Beispiel 2: Stoffebene und Teilchenebene trennen

Stoffebene	Teilchenebene
Natrium: weiches, silbriges Metall	Natriumatome
Chlor: gelbgrünes, giftiges Gas	Chlormoleküle $\mathrm{Cl_{2}}$
Natriumchlorid: weißer, harter Feststoff, schmilzt bei 801 °C	Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen im Ionengitter

Merksatz

Bei der Bildung eines Salzes aus Metall und Nichtmetall werden Elektronen vom Metall auf das Nichtmetall übertragen (Redoxreaktion). Es entstehen Kationen und Anionen, die sich elektrisch anziehen. Diese Ionenbindung wirkt in alle Richtungen und führt zu einem Ionengitter. Die Formel eines Salzes ist eine Verhältnisformel.

Übungen

Grundlagen

1. Erkläre den Begriff Ionenbindung.
2. Beschreibe den Aufbau des Natriumchlorid-Gitters und nenne die Koordinationszahl.
3. Erkläre, warum man bei Natriumchlorid nicht von einem Molekül spricht.

Weiter

4. Kalium reagiert mit Chlor zu Kaliumchlorid. Stelle die Reaktionsgleichung und die beiden Teilgleichungen für Elektronenabgabe und Elektronenaufnahme auf.
5. Erkläre, warum Natriumchlorid ungiftig ist, obwohl es aus Natrium und Chlor entsteht.
6. Zeichne einen ebenen Ausschnitt (4 × 4 Ionen) aus dem Natriumchlorid-Gitter.

Knobeln

7. Calcium reagiert mit Chlor zu Calciumchlorid. Stelle die Teilgleichungen auf und leite daraus das Anzahlverhältnis der Ionen ab.
8. Eine Mitschülerin zeichnet „ein NaCl-Molekül“ als Natrium-Ion und Chlorid-Ion, verbunden durch einen Strich. Beurteile die Darstellung.

Lösungen

1. Die Ionenbindung ist die elektrische Anziehung zwischen positiv und negativ geladenen Ionen. Sie wirkt gleichmäßig in alle Richtungen.
2. Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen wechseln sich in allen drei Raumrichtungen ab und bilden ein würfelförmiges Gitter. Jedes Ion ist von 6 entgegengesetzt geladenen Ionen umgeben, die Koordinationszahl ist 6.
3. Es gibt keine abgeschlossenen Einheiten aus einem Natrium-Ion und einem Chlorid-Ion. Jedes Ion ist an alle Nachbarn gebunden. Die Formel NaCl gibt nur das Anzahlverhältnis 1 : 1 im Gitter an.
4. $2\,\mathrm{K} + \mathrm{Cl_{2}} \longrightarrow 2\,\mathrm{KCl}$. Elektronenabgabe: $\mathrm{K} \longrightarrow \mathrm{K^{+}} + \mathrm{e^{-}}$. Elektronenaufnahme: $\mathrm{Cl_{2}} + 2\,\mathrm{e^{-}} \longrightarrow 2\,\mathrm{Cl^{-}}$.
5. Die Giftigkeit und Reaktionsfähigkeit gehört zu den Stoffen Natrium und Chlor, also zu Natriumatomen und Chlormolekülen. Im Salz liegen Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen mit Edelgaskonfiguration vor. Sie haben ganz andere Eigenschaften.
6. Ein Schachbrettmuster aus kleinen Natrium-Ionen und großen Chlorid-Ionen: In jeder Reihe und jeder Spalte wechseln sich $\mathrm{Na^{+}}$ und $\mathrm{Cl^{-}}$ ab.
7. $\mathrm{Ca} \longrightarrow \mathrm{Ca^{2+}} + 2\,\mathrm{e^{-}}$ und $\mathrm{Cl_{2}} + 2\,\mathrm{e^{-}} \longrightarrow 2\,\mathrm{Cl^{-}}$. Ein Calciumatom gibt 2 Elektronen ab, ein Chlormolekül nimmt 2 auf. Auf ein Calcium-Ion kommen also 2 Chlorid-Ionen: $\mathrm{CaCl_{2}}$.
8. Die Darstellung ist irreführend. Es gibt keine einzelnen NaCl-Moleküle, und die Ionenbindung ist keine gerichtete Bindung zwischen zwei Partnern. Richtig ist ein Gitterausschnitt, in dem jedes Ion von mehreren entgegengesetzt geladenen Ionen umgeben ist.