Ionenbindungen

Jedes Natrium-Ion in einem Salzkristall hat genau sechs Chlorid-Nachbarn, alle 282 pm entfernt.

Schau dir Körner von Kochsalz unter einer Lupe an: Viele davon sind winzige Würfel. Diese Form verrät, was im Inneren vor sich geht. Natriumchlorid besteht nicht aus einzelnen Molekülen. Es ist ein regelmäßiges dreidimensionales Gitter aus Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen, die sich in jeder Richtung abwechseln, und der Würfel, den du siehst, ist dieses Gitter, viele Millionen Mal wiederholt.

Elektronen abgeben und aufnehmen

Ein Natriumatom hat 11 Elektronen, verteilt als 2, 8, 1. Sein einzelnes Außenelektron ist nur schwach gebunden, also kann Natrium es abgeben und behält die volle Schale von Neon. Mit 11 Protonen, aber nur 10 Elektronen wird es zu einem positiven Ion, Na⁺. Ein Chloratom hat 17 Elektronen, verteilt als 2, 8, 7, also eines zu wenig für eine volle Schale. Es nimmt ein Elektron auf und wird zu Cl⁻, mit 18 Elektronen wie Argon. Die Elektronegativität von Natrium beträgt 0.93, die von Chlor 3.16. Bei einem so großen Unterschied wird das Elektron nicht geteilt; es wechselt den Besitzer.

Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an, und diese Anziehung ist die Ionenbindung. Sie zeigt nicht in eine bestimmte Richtung. Jedes Na⁺ zieht an jedem Cl⁻ in seiner Umgebung, und jedes Cl⁻ an jedem Na⁺. Am stabilsten lassen sie sich in der Steinsalzstruktur aus dem Modell packen: Jedes Ion hat sechs Nachbarn mit entgegengesetzter Ladung, oben, unten, links, rechts, vorn und hinten, jeweils im Winkel von 90° zueinander. Der Abstand zwischen benachbarten Mittelpunkten beträgt 282 pm, die Hälfte der 564 pm langen Kante des sich wiederholenden Würfels.

Die Formel aufstellen

Weil es keine einzelnen Moleküle gibt, gibt die Formel einer Ionenverbindung nur das Verhältnis der Ionen an. NaCl bedeutet: ein Natrium auf jedes Chlor. Die Ladungen müssen sich zu null ausgleichen. Magnesium bildet Mg²⁺, braucht also zwei Chlorid-Ionen: MgCl₂. Aluminium bildet Al³⁺ und Sauerstoff O²⁻; die kleinsten ganzen Zahlen, die +3 und −2 ausgleichen, sind zwei Aluminium und drei Sauerstoff, Al₂O₃. Metalle der Gruppe 1 bilden 1+-Ionen, die der Gruppe 2 bilden 2+-Ionen, Nichtmetalle der Gruppe 17 bilden 1−-Ionen und die der Gruppe 16 bilden 2−-Ionen.

Was die Ionenbindung mit den Eigenschaften macht

Jedes Ion wird von vielen Nachbarn festgehalten, deshalb kostet es viel Energie, den Kristall auseinanderzuziehen. Natriumchlorid schmilzt bei 801 °C, viel heißer als ein Backofen. Festes Salz leitet keinen Strom, weil die Ionen an ihrem Platz festsitzen. Schmilzt man es oder löst es in Wasser, können sich die Ionen bewegen, und die Flüssigkeit leitet. Ionenkristalle sind außerdem spröde. Schlägt man kräftig auf einen Salzkristall, verrutscht eine Schicht; plötzlich stehen sich gleiche Ladungen gegenüber, stoßen sich ab, und der Kristall bricht entlang einer glatten Fläche.

Die Ionen sind nicht so groß wie die Atome, aus denen sie entstanden sind. Ohne seine Außenschale schrumpft Natrium auf einen Ionenradius von etwa 102 pm, während das zusätzliche Elektron das Chlorid auf etwa 181 pm anschwellen lässt. Im Kalottenmodell füllen die großen grünen Chlorid-Ionen den meisten Platz aus, und die kleinen violetten Natrium-Ionen sitzen in den Lücken dazwischen.

Wenn sich Salz in Wasser löst, zerfällt das Gitter Ion für Ion. Wassermoleküle drängen sich um jedes Ion: Die leicht negativen Sauerstoffenden zeigen zu den Na⁺-Ionen, die leicht positiven Wasserstoffenden zu den Cl⁻-Ionen. So umhüllt lösen sich die Ionen vom Kristall und verteilen sich im Wasser. Weil sich die gelösten Ionen bewegen können, leitet Salzwasser Strom, ein Grund, warum elektrische Geräte und Meerwasser eine gefährliche Mischung sind. Warum Wassermoleküle geladene Enden haben, siehst du in der Einheit über Polarität.