Atome und Moleküle haben im gewöhnlichen,neutralen Zustand genauso vieleElektronen wieProtonen. Besitzt ein Atom oder Molekül jedoch ein oder mehrere Elektronen weniger oder mehr als im Neutralzustand, so hat es dadurch eineelektrische Ladung und wird als Ion bezeichnet:
Ionen mit Elektronenmangel sind positiv geladen,
Ionen mit Elektronenüberschuss negativ (sieheLadungszahl).
Schnelle Ionen, die sich in eine Richtung bewegen, werden in derAtomphysik,Kernphysik undTeilchenphysik untersucht oder verwendet, sieheIonenstrahlung,Ionenquelle oderTeilchenbeschleuniger. EinPlasma (z. B. im Inneren derSterne) ist ein ungeordnetes Ensemble aus Ionen (zumeist völligionisierte, d. h. elektronenloseAtomkerne) und den abgespaltenen Elektronen, die sich beide wie die Moleküle einesGases ungeordnet in alle Richtungen bewegen, entsprechend der hohen Temperatur jedoch sehr viel schneller.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich im Wesentlichen auf langsame oder stationäre Ionen.
denn sie wandern in einemelektrischen Feld alsIonenstrom zurKathode („Minuspol“ des Feldes) bzw. zurAnode („Pluspol“). Von dieser Fähigkeit zu wandern bekamen die Ionen ihren Namen.
Bei seinen Untersuchungen zurElektrizität warMichael Faraday unzufrieden mit den Begriffen, die ihm zur Beschreibung chemischer Zersetzungen unter dem Einflusselektrischen Stroms zur Verfügung standen. Er wandte sich daher Anfang 1834 u. a. anWilliam Whewell. Dieser schlug neben weiteren auch die BezeichnungenIon,Kation undAnion vor; seitdem wurden sie von Faraday benutzt.[2] Sie verbreiteten sich dann rasch in der wissenschaftlichenNomenklatur.[3]
Mischt manKochsalz und Wasser, so werden die Natrium- und Chloridionen im Wassergelöst, d. h. voneinander getrennt und einzeln von Wassermolekülen umgeben.
Einatomige Ionen bilden sich aus neutralen Atomen, wenn diese Elektronen abgeben oder aufnehmen. Zur Entfernung von Elektronen mussIonisierungsenergie aufgewendet werden, bei der Aufnahme von Elektronen wird dieElektronenaffinität genannte Energie umgesetzt.
Zur qualitativen Erklärung der Existenz verschiedener Ionen gibt es mehrere Ansätze, z. B. dieOktettregel oder dieElektronenkonfiguration. Ihnen liegt zugrunde, dass die Aufnahme oder Abgabe eines weiteren Elektrons einen deutlich größeren Energieaufwand bedeuten würde. Darum spricht man auch von „energetisch begünstigten“Elektronenkonfigurationen wie s2,s2p6 (Edelgaskonfiguration),d10 oder d10s2.[4]
Auch neutrale Moleküle können Ionen bilden, indem sie geladene Atome oder Atomgruppen abspalten oder aufnehmen. Man nennt diese Ionen Molekülionen oder mehratomige Ionen. Wichtige Molekülionen werden durch die Übertragung vonWasserstoff-Kationen beiSäure-Base-Reaktionen gebildet, z. B. dasNitrat-Ion NO3− aus derSalpetersäure HNO3. In derorganischen Chemie werden auch größere Gruppen abgegeben oder aufgenommen, z. B. bei der Bildung desTetraethylammonium-Ions ausTriethylamin.
Positiv geladene Ionen, dieKationen, werden gebildet, wenn Atome Elektronen abgeben. Da derAtomkern nach wie vor eine identische, positive Ladung besitzt (im neutralen Atom entspricht die Anzahl der Protonen im Kern der Anzahl der ihn umgebenden Elektronen), erscheint das Ion insgesamt als ein positiv geladenes Teilchen.
Beispiel:Metall-Ionen sind in der Regel positiv geladen. Gleichungen für die Bildung von:
Negativ geladene Ionen (Anionen) werden gebildet, indem Atome Elektronen aufnehmen. Dadurch entsteht ein Überschuss an Elektronen (negativenLadungsträgern), der durch die vorhandenen Protonen (positiven Ladungsträger) nicht mehr ausgeglichen wird – die negativen Ladungen überwiegen, das Ion ist negativ geladen.
Beispiel:Nichtmetall-Ionen sind in der Regel negativ geladen. Gleichungen für die-Bildung von:
Die Ionenladung gibt an, wie viele positive oder negative elektrische Ladungen ein Ion besitzt. Sie wird durch eine hochgestellte arabische Ziffer mit nachstehendem Plus- oder Minuszeichen angegeben.Die allgemeine Form lautet An− beziehungsweise An+.
Bei Molekülionen wird dieValenzstrichformel des Moleküls in eckige Klammern gesetzt und die Ionenladung hochgestellt hinter der Klammer angegeben.
In derSpektroskopie werden zur Kennzeichnung von Spektren ionisierter Atome auchrömische Zahlen verwendet,[5][6] wobeiSpektrallinien des neutralen Atoms mit I (eins) bezeichnet werden. Zum Beispiel wird „He I“ den Linien des neutralenHeliums zugeordnet und „C IV“ den Linien von dreifach ionisiertemKohlenstoff.
Ionen unterschiedlicher Ladung bilden durch dieIonenbindungSalze. Lösungen, die ionische Substanzen enthalten, leiten elektrischen Strom und heißen daher Elektrolyte. Die Ursache für die Leitung des elektrischen Stromes ist dietranslatorischeBeweglichkeit der Ionen innerhalb der Lösung. Informationen über die translatorische Beweglichkeit von Ionen in der Elektrolytlösung, wie derenDiffusionskoeffizient oder derenBeweglichkeit im elektrischen Feld, kann man überFeldgradienten-NMR-Methoden erhalten. Die Messung von kann aber auch mit der „klassischen Methode“ der „Bewegten Grenzfläche“ (moving boundary) erfolgen.[7]
Eincyclisches Ion ist ein Ion, das in einer Ringstruktur aufgebaut ist.
Bei Molekülen mit zwei oder mehrerenfunktionellen Gruppen kann es vorkommen, dass sie an einer Gruppe eine positive, an einer anderen eine negative Ladung tragen (insgesamt ist das Molekül dann neutral); solche polaren Moleküle werden auch alsZwitterionen bezeichnet. Beispielsweise tragenAminosäuren zugleich eineAminogruppe und eineCarbonsäuregruppe. Ein Zwitterion kann in einer Lösung je nachpH-Wert positiv oder negativ geladen sein.
↑Wilhelm Pape, Max Sengebusch (Bearb.):Handwörterbuch der griechischen Sprache. 3. Auflage, 6. Abdruck. Vieweg & Sohn, Braunschweig 1914 (images.zeno.org [abgerufen am 5. März 2019] ; beachte: hier ist wie in altgriechischen Wörterbüchern üblich nicht der Infinitiv, sondern die 1. Person Singular Präsens Aktivaltgriechischεἶμιeimi, deutsch‚ich gehe‘ angegeben).
↑Michael Faraday:Experimental Researches in Electricity. Seventh Series. In:Philosophical Transactions of the Royal Society.Band124,S.77–122,doi:10.1098/rstl.1834.0008. Seite 79 Abschnitt 665.
