Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Teilchen, das entsteht, wenn ein Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen aufnimmt oder verliert. Atome haben normalerweise die gleiche Anzahl an Elektronen und Protonen, was sie elektrisch neutral macht. Wenn ein Atom jedoch Elektronen aufnimmt oder verliert, erhält es eine positive oder negative Nettoladung und wird zu einem Ion.
Wenn ein Atom Elektronen verliert, wird es zu einem positiv geladenen Ion, einem sogenannten Kation. Wenn ein Atom andererseits Elektronen aufnimmt, wird es zu einem negativ geladenen Ion, einem sogenannten Anion.
Kationen und Anionen werden durch das Symbol des entsprechenden Atoms und das Zeichen „+“ (Kationen) bzw. „-“ (Anionen) dargestellt.
Arten von Ionen: Kationen und Anionen
Abhängig von der elektrischen Ladung, die sie besitzen, gibt es verschiedene Arten von Ionen. Die beiden Haupttypen sind:
Kationen
Kationen sind Ionen, die aufgrund des Elektronenverlusts eine positive Ladung haben und daher kleiner sind. Die häufigsten Kationen sind diejenigen, die aus den Alkali- und Erdalkalimetallen des Periodensystems gebildet werden.
Einige Beispiele für Kationen sind:
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Natriumion (Na+)
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Kaliumion (K+)
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Calciumion (Ca2+)
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Magnesiumion (Mg2+)
Anionen
Anionen sind aufgrund der Elektronenaufnahme negativ geladene Ionen und daher größer und schwerer. Die häufigsten Anionen sind solche, die aus Nichtmetallen des Periodensystems gebildet werden.
Einige Beispiele für Anionen sind:
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Chloridion (Cl-)
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Sulfation (SO42-)
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Nitration (NO3-)
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Hydroxidion (OH-)
Polyatomionen
Darüber hinaus gibt es noch andere, spezifischere Arten von Ionen, beispielsweise mehratomige Ionen, bei denen es sich um elektrisch geladene Moleküle handelt, die aus mehreren Atomen bestehen. Einige Beispiele sind:
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Carbonation (CO32-)
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Ammoniumion (NH4+)
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Sulfation (SO42-)
Beziehung zu galvanischen Zellen
In einem elektrochemischen System wie einer Zelle oder Batterie finden an der Anode und Kathode Oxidations- und Reduktionsreaktionen statt.
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Anode: Es ist die Elektrode, an der die Oxidation stattfindet, d. h. an der Atome oder Moleküle Elektronen verlieren, um zu positiven Ionen (Kationen) zu werden. Daher ist die Anode mit der Erzeugung positiver Ionen verbunden.
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Kathode: Dies ist die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet, d. h. an der positive Ionen (Kationen) Elektronen aufnehmen und so zu neutralen Atomen oder Molekülen werden. Daher ist die Kathode mit der Reduktion positiver Ionen verbunden.
In einer elektrochemischen Zelle fließen Ionen durch ein leitfähiges Medium von der Anode zur Kathode, während Elektronen in die entgegengesetzte Richtung, von der Anode zur Kathode, über einen externen Stromkreis fließen.
Dies ermöglicht den Fluss von elektrischem Strom im elektrochemischen System.
Wie werden Ionen erzeugt?
Ionen werden durch verschiedene Prozesse erzeugt, die sein können:
Elektronentransferionisation
Dieser Prozess findet statt, wenn ein Atom Elektronen aufnimmt oder abgibt, um ein elektrisch geladenes Ion zu bilden. Nimmt ein Atom Elektronen auf, bildet es ein negatives Ion (Anion), verliert es Elektronen, bildet es ein positives Ion (Kation). Der Elektronentransfer kann bei chemischen Reaktionen oder durch Wechselwirkung mit externen elektrischen Feldern erfolgen.
Dissoziationionisation
Dieser Prozess findet statt, wenn ein Molekül in einer wässrigen Lösung oder einem gasförmigen Zustand durch Aufspaltung in elektrisch geladene Ionen in Ionen dissoziiert. Wenn sich beispielsweise Natriumchlorid (NaCl) in Wasser löst, trennt es sich in Natrium- (Na+) und Chlorid-Ionen (Cl-).
Strahlungionisation
Elektromagnetische Strahlung oder geladene Teilchen können Atome oder Moleküle ionisieren, indem sie ihnen genug Energie übertragen, um ein oder mehrere Elektronen zu entfernen. Dieser Prozess findet beispielsweise in der Ionosphäre der Erde statt, wo Sonnenstrahlung Atome und Moleküle in der oberen Atmosphäre ionisiert.
Temperaturionisation
Bei hohen Temperaturen können Atome genügend Wärmeenergie aufnehmen, um Elektronen freizusetzen und Ionen zu bilden. Dieser Prozess wird in Flammen, Lichtbögen und Plasmen beobachtet, wo Atome aufgrund der hohen vorhandenen thermischen Energie ionisiert werden.
Ionisationsenergie
Ionisierungsenergie ist die Energie, die erforderlich ist, um Elektronen aus einem Atom zu entfernen. Auch Ionisationspotential genannt.
Das Phänomen, durch das sich die Anzahl der Elektronen in einem Atom ändert, wird Ionisation genannt. Die Ionisierung erfolgt durch Anlegen hoher Energie an Atome in Form von elektrischem Potenzial oder Strahlung.
Für einzelne Atome im Vakuum gibt es eine physikalische Konstante, die mit dem Ionisierungsprozess verbunden ist. Lokale chemische Bindungen, Geometrie und Temperatur beeinflussen die Ionisierung.
Die erste Ionisierungsenergie ist die Energie, die zum Entfernen eines Elektrons erforderlich ist.
Der zweite ist notwendig, um zwei Elektronen zu entfernen. Die resultierenden Ionisierungsenergien sind immer relativ höher als die vorherigen.