Bildung des Ionengitters: Unterschied zwischen den Versionen

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Wenn sich Ionen verbinden,entsteht ein Ionengitter, da sich die gleichgeladenen Ionen abstossen und die gegengleichgeladenen Ionen anziehen. Somit ist die Bildung des Ionengitters eigentlich eine Optimierung, denn die gleichgeladenen Ionen versuchen möglichst weit voneinander entfernt zu sein, während die gegengleichgeladenen Ionen die Nähe suchen. Somit entsteht diese unwahrscheinliche Anordnung eines Gitters.
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Wenn sich Ionen verbinden,entsteht ein Ionengitter, da sich die gleichgeladenen Ionen abstossen und die gegengleichgeladenen Ionen anziehen. Somit ist die Bildung des Ionengitters eigentlich eine Optimierung, denn die gleichgeladenen Ionen versuchen möglichst weit voneinander entfernt zu sein, während die gegengleichgeladenen Ionen die Nähe suchen. Somit entsteht diese - sehr unwahrscheinliche - Anordnung eines Gitters.
  
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Je stärker die Kräfte zwischen den [[Ionen]] sind, umso grösser ist die '''[[Bildung des Ionengitters#Die Gitterenergie|Gitterenergie]]'''. Je nach Atomradienverhältnis der Ionen und ihrer stöchiometrischen Zusammensetzung, bilden sich unterschiedliche '''[[Bildung des Ionengitters#Die Gitterformen|Gittertypen]]'''. Deren '''[[Bildung des Ionengitters#Die Gitterformen|Koordinationszahl]]''' gibt die Anzahl Gegenionen an, die um ein Ion gruppiert sind.  
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Je stärker die Kräfte zwischen den Ionen sind, umso grösser ist die '''[[Bildung des Ionengitters#Die Gitterenergie|Gitterenergie]]'''. Je nach Atomradienverhältnis der Ionen und ihrer stöchiometrischen Zusammensetzung, bilden sich unterschiedliche '''[[Bildung des Ionengitters#Ionengittertypen|Gittertypen]]'''. Deren '''[[Bildung des Ionengitters#Koordinationszahl|Koordinationszahl]]''' gibt die Anzahl Gegenionen an, die um ein Ion gruppiert sind.  
  
  
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Die Gitterenergie ist die Energie, die bei der Bildung des Ionengitters freigesetzt wird, bzw. die Energie, die man aufwenden muss, um das Gitter zu spalten.
 
Die Gitterenergie ist die Energie, die bei der Bildung des Ionengitters freigesetzt wird, bzw. die Energie, die man aufwenden muss, um das Gitter zu spalten.
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Nach dem [[coulomb’schen Gesetz]] ist die Anziehungskraft zwischen zwei elektrischen Ladungen von der Grösse der Ladungen und vom Abstand zwischen den Ladungen abhängig.  Die Gitterenergie nimmt zu, je grösser die Anziehungskräfte im Gitter sind  
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Nach dem coulomb’schen Gesetz ist die Anziehungskraft zwischen zwei elektrischen Ladungen von der Grösse der Ladungen und vom Abstand zwischen den Ladungen abhängig.  Die Gitterenergie nimmt zu, je grösser die Anziehungskräfte im Gitter sind  
 
Umso grösser der Unterschied der Ionenradien ist, desto mehr nimmt die Gitterenergie ab.
 
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=== Koordinationszahl ===
 
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Die Koordinationszahl beschreibt die Anzahl Gegenionen eines Ion in der Gitterstruktur. Durch Bestimmen der Koordinationszahl kann also die Form des Gitters herausgefunden werden.  
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Die Koordinationszahl beschreibt die Anzahl Gegenionen eines Ions in der Gitterstruktur. Durch Bestimmen der Koordinationszahl kann also die Form des Gitters herausgefunden werden.  
  
 
Ist der Unterschied der Radien zwischen Anion und Kationen sehr gross, so ist die Koordinationszahl kleiner.
 
Ist der Unterschied der Radien zwischen Anion und Kationen sehr gross, so ist die Koordinationszahl kleiner.
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Hingegen wenn der Unterschied sehr klein ist, also ähnliche grosse Radien der Ionen, ist auch die Koordinationszahl grösser. Das Ganze ist darauf zurückzuführen, dass bei etwa gleichgrossen Ionen, auf ein Ion mehr Gegenionen fallen können, da es einfach mehr Platz hat.
  
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Hingegen wenn der Unterschied sehr klein ist, also ähnliche grosse Radien der Ionen, ist auch die Koordinationszahl grösser.
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Das Verhältnis der Radien ist also entscheidend:
  
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=== Die Elementarzelle ===
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x  = R<sub>Kation</sub> / R<sub>Anion</sub>
  
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kann durch Translation (Parallelverschiebung) drei verschiedene Kristallgitter aufbauen (Uns sind bis jetzt zwei der drei Kristallgitter bekannt.)
 
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Die Elementarzelle enthält die Informationen, wie das Gitter aussieht und wie die Ionen darin angeordnet sind.
 
  
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Der Gittertyp eines Salzes erfolgt aus der stöchiometrischen Zusammensetzung (z.Bsp. NaCl, Na2SO4,…), der Geometrie und dem Ionenradienverhältnis α ( = RKation / RAnion ).
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x = 0.41 bis 0.73 → KZ = 6
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wenn α = 0.41 bis 0.73 ist, dann ist die Koordinationszahl = 6, das heißt, dass das
 
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Gitter kubisch – flächenzentriert ist.
 
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wenn α = 0.73 bis 1.00 ist, dann ist die Koordinationszahl = 8, das heißt, dass das Gitter kubisch – raumzentriert ist
 
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== Energetische Betrachtung ==
 
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Die Bildung des Ionengitters ist eine stark exotherme Reaktion.
 
  
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x = 0.73 bis 1.00 → KZ = 8
  
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=== Elementarzelle ===
  
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Die Elementarzelle ist die kleinste Einheit im Ionengitter. Sie enthält sämtliche Information zu Struktur des Ionengitter. Ist also die Elementarzelle bekannt, so kennt man gleichzeitig den Aufbau des gesamten Ionengitters, also wie die Ionen innerhalb des Gitters angeordnet sind.
  
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Die zwei bekanntesten Ionengittertypen sind das '''[[Bildung des Ionengitters#NaCl-Gittertyp|NaCl-Gitter]]''' und das '''[[Bildung des Ionengitters#CsCl-Gittertyp|CsCl-Gitter]]'''.
  
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=== NaCl-Gittertyp ===
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Bei einer Koordinationszahl von 6 entsteht der Typ des Natriumchlorid.
  
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Jedem Ion stehen also 6 Gegenionen gegenüber (KZ=6) und der Radienunterschied zwischen Anionen und Kationen ist gross.
  
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Diesen Typ der Ionengitterstruktur nennt man auch kubisch-flächenzentriert, da die Ionen und Gegenionen jeweils auf der gleichen Ebene liegen.
  
  
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=== CsCl-Gittertyp ===
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[[image:Kubisch-innenzentriert.png|thumb|right|Kubisch-innenzentriertes Ionengitter]]
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Bei einer Koordinationszahl von 8 entsteht der Typ des Caesiumchloridgitters.
  
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Die Radien der Ionen sind also ähnlich gross und auf jedes Ionen fallen 8 Gegenionen (KZ=8)
  
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Dieser Typ nennt man auch kubisch-innenzentriert, da das Gegenion im innern, also im Raum, der anderen Ionen liegt.
  
  
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== Energetische Betrachtung ==
  
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Bei der Bildung eines Ionengitters müssen mehrere Schritte betrachtet werden.
  
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Beispiel '''[[Bildung des Ionengitters#NaCl-Gittertyp|NaCl]]'''
  
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- Zuerst muss das Natrium verdampft werden. Dieser Vorgang ist endotherm.
  
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- Dann folgt die Ionisierung der Na-Atome, es werden also Elektronen weggenommen. Dieser Schritt ist wieder endotherm.
  
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- Die Cl-Atome nehmen dann Elektronen auf, was diesmal leicht exotherm ist.
  
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- Schlussendlich wird das Gitter gebildet. Diese Gitterbildung ist sehr stark exotherm.
  
  
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Die Bildung der Gitterstruktur macht also die Salzbildung erst exotherm.
  
 
== Quellen ==
 
== Quellen ==
 
* Chemieunterlagen
 
* Chemieunterlagen
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* Powerpoint-Präsentation Ionenbindungen von R. Deuber
  
 
== Weblinks ==
 
== Weblinks ==

Aktuelle Version vom 18. Mai 2020, 15:35 Uhr

Wenn sich Ionen verbinden,entsteht ein Ionengitter, da sich die gleichgeladenen Ionen abstossen und die gegengleichgeladenen Ionen anziehen. Somit ist die Bildung des Ionengitters eigentlich eine Optimierung, denn die gleichgeladenen Ionen versuchen möglichst weit voneinander entfernt zu sein, während die gegengleichgeladenen Ionen die Nähe suchen. Somit entsteht diese - sehr unwahrscheinliche - Anordnung eines Gitters.

Je stärker die Kräfte zwischen den Ionen sind, umso grösser ist die Gitterenergie. Je nach Atomradienverhältnis der Ionen und ihrer stöchiometrischen Zusammensetzung, bilden sich unterschiedliche Gittertypen. Deren Koordinationszahl gibt die Anzahl Gegenionen an, die um ein Ion gruppiert sind.


Bildung des Ionengitters

Bildung eines Ionengitters[1]


1. Metalle und Nichtmetalle (rot & blau) treffen aufeinander

2. die Nichtmetalle entziehen den Metallen die Elektronen

3. Coulomb’sche Kräfte werden frei, wobei positive und negative Ladungen entstehen

4. das Ionengitter nimmt seine Form an


Zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen im Gitter bestehen elektrostatische Anziehungskräfte – so genannte coulomb’sche Kräfte. Diese Anziehungskräfte wirken nach allen Seiten gleichmässig. Daraus ergibt sich eine typische räumliche Anordnung der entgegengesetzt geladenen Ionen im Kristallgitter.


Die Gitterenergie

Die Gitterenergie ist die Energie, die bei der Bildung des Ionengitters freigesetzt wird, bzw. die Energie, die man aufwenden muss, um das Gitter zu spalten. Nach dem coulomb’schen Gesetz ist die Anziehungskraft zwischen zwei elektrischen Ladungen von der Grösse der Ladungen und vom Abstand zwischen den Ladungen abhängig. Die Gitterenergie nimmt zu, je grösser die Anziehungskräfte im Gitter sind Umso grösser der Unterschied der Ionenradien ist, desto mehr nimmt die Gitterenergie ab.


Ionengittertypen

Es gibt verschiedene Typen von Ionengitter. Welcher Gittertyp entsteht ist von folgenden Faktoren abhängig:

a) stöchiometrische Zusammensetzung

b) Radienverhältnis der beteiligten Ionen


Koordinationszahl

Ionenradien

Die Koordinationszahl beschreibt die Anzahl Gegenionen eines Ions in der Gitterstruktur. Durch Bestimmen der Koordinationszahl kann also die Form des Gitters herausgefunden werden.

Ist der Unterschied der Radien zwischen Anion und Kationen sehr gross, so ist die Koordinationszahl kleiner. Hingegen wenn der Unterschied sehr klein ist, also ähnliche grosse Radien der Ionen, ist auch die Koordinationszahl grösser. Das Ganze ist darauf zurückzuführen, dass bei etwa gleichgrossen Ionen, auf ein Ion mehr Gegenionen fallen können, da es einfach mehr Platz hat.

Das Verhältnis der Radien ist also entscheidend:

x = RKation / RAnion


x = 0.41 bis 0.73 → KZ = 6

x = 0.73 bis 1.00 → KZ = 8

Elementarzelle

Die Elementarzelle ist die kleinste Einheit im Ionengitter. Sie enthält sämtliche Information zu Struktur des Ionengitter. Ist also die Elementarzelle bekannt, so kennt man gleichzeitig den Aufbau des gesamten Ionengitters, also wie die Ionen innerhalb des Gitters angeordnet sind.

Die zwei bekanntesten Ionengittertypen sind das NaCl-Gitter und das CsCl-Gitter.

NaCl-Gittertyp

Kubisch-flächenzentriertes Ionengitter

Bei einer Koordinationszahl von 6 entsteht der Typ des Natriumchlorid.

Jedem Ion stehen also 6 Gegenionen gegenüber (KZ=6) und der Radienunterschied zwischen Anionen und Kationen ist gross.

Diesen Typ der Ionengitterstruktur nennt man auch kubisch-flächenzentriert, da die Ionen und Gegenionen jeweils auf der gleichen Ebene liegen.


CsCl-Gittertyp

Kubisch-innenzentriertes Ionengitter

Bei einer Koordinationszahl von 8 entsteht der Typ des Caesiumchloridgitters.

Die Radien der Ionen sind also ähnlich gross und auf jedes Ionen fallen 8 Gegenionen (KZ=8)

Dieser Typ nennt man auch kubisch-innenzentriert, da das Gegenion im innern, also im Raum, der anderen Ionen liegt.


Energetische Betrachtung

Bei der Bildung eines Ionengitters müssen mehrere Schritte betrachtet werden.

Beispiel NaCl

- Zuerst muss das Natrium verdampft werden. Dieser Vorgang ist endotherm.

- Dann folgt die Ionisierung der Na-Atome, es werden also Elektronen weggenommen. Dieser Schritt ist wieder endotherm.

- Die Cl-Atome nehmen dann Elektronen auf, was diesmal leicht exotherm ist.

- Schlussendlich wird das Gitter gebildet. Diese Gitterbildung ist sehr stark exotherm.


Die Bildung der Gitterstruktur macht also die Salzbildung erst exotherm.

Quellen

  • Chemieunterlagen
  • Powerpoint-Präsentation Ionenbindungen von R. Deuber

Weblinks

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