Ionenbindung

Ionenbindung (heteropolare Bindung)

Festkörper, die durch Ionenbindungen zusammengehalten werden, werden als Salze bezeichnet. Eine Ionenbindung kommt in der Regel zwischen Metallen und Nichtmetallen zustande. Somit benötigen wir ein Element, das weit links im Periodensystem steht (Metall) und ein Element, das weit rechts im Periodensystem steht (Nichtmetall). Solche Bindungspartner haben eine hohe Elektronegativitätsdifferenz (ΔEN).  Als Beispiel nehmen wir Natrium (Na) und Chlor (Cl) (siehe dazu Abb. 2).

Abbildung 2: Darstellung von Natriumchlorid (NaCl) aus den Elementen

Wir wissen aus dem Kapitel „Periodensystem“, dass Natrium zu den Alkalimetallen gehört und sehr reaktiv ist. Alkalimetalle wollen ihr einziges Elektron auf der Außenschale abgeben und dadurch die Edelgaskonfiguration erreichen. Chlor (Cl) gehört zu den Halogenen und hat somit 7 Elektronen auf der Valenzschale. Es braucht nur ein zusätzliches Elektron, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. In Rahmen einer Redoxreaktion gibt das Natrium dem Chlor ein Elektron ab und es entstehen die gegensätzlich geladenen Ionen: Na⁺ und Cl^-. Aus den sehr reaktiven Atomen Natrium (Na) und Chlor (Cl) sind chemisch sehr träge Ionen entstanden. Erst durch elektrostatische Anziehung zwischen den Ionen entsteht die Ionenbindung.

In Reaktionsgleichungen tauchen nur die Teilchen auf, die an der Reaktion teilnehmen, und zwar in ihrer kleinsten Anzahl. Die Reaktionsgleichung in Abb. 2 zeigt ein Ionenpaar haben, das sich gegenseitig anzieht, eine Ionenbindung ausbildet und so das uns bekannte Kochsalz (NaCl) bildet. Diese Darstellung ist allerdings nicht ganz richtig. Elektrostatische Anziehungskräfte sind keine gerichteten Kräfte, d.h., sie wirken nicht nur in eine Richtung, sondern in alle möglichen Richtungen. Somit werden auch aus allen Raumrichtungen gegensinnig geladene Ionen angezogen. Jedes Chloridion (Cl^-) kann von 6 Natriumionen (Na⁺) umgeben werden und umgekehrt. Man spricht dabei von einer Koordinationszahl (KZ), hier KZ: 6. Es gibt Salze, bei denen sich die Koordinationszahlen der  bindenden Ionen stark unterscheiden.

Die Ionen können sich nur bis zu einem ganz bestimmten Punkt annähern. An diesem Punkt wirkt die maximale Anziehung und die minimale Abstoßung zwischen den Ionen. Die Ionen sind zwar gegensinnig geladen und ziehen sich dadurch an, jedoch bestehen auch die Ionen aus einem Kern und einer Atomhülle, die die Elektronen und somit viele negative Ladungen enthält. Wenn sich die gleich geladenen Atomhüllen zu nahe kommen, kommt auch die Abstoßung der Ionen ins Spiel. Man erhält somit einen konstanten Abstand zwischen den Ionen in einem sogenannten Ionenkristall (= Salz). Jedes Natriumion (Na⁺) ist von sechs Chloridionen (Cl^-) umgeben und zwar in Form eines Oktaeders. In  Abb. 3 ist die Form eines Oktaeders dargestellt. Jede Ecke dieser geometrischen Struktur stellt ein Chloridion dar. Die schwarzen Striche stellen keine Bindungen zwischen den Chloridionen dar, sondern sollen die oktaedrische Struktur hervorheben.

Abbildung 3: Ein Oktaeder

Jedes Ion hat also einen festen Platz in einem Ionengitter. Ionenkristalle sind sehr stabile Verbindungen, deren Bindungsstärke über die Gitterenergie (U_G) angegeben wird. Bei Natriumchlorid beträgt die U_G 780 kJ/mol. U_G unterscheidet sich von Ionenkristall zu Ionenkristall. Wenn sich ein Kristall bildet, wird Energie frei, die der Gitterenergie entspricht. Möchte man den Kristall zerbrechen, muss man genau diese Gitterenergie aufbringen.