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Atome bestehen aus einem Kern, der von Elektronen umgeben ist, die mit hoher Geschwindigkeit um ihn herum rotieren. Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen und die Anzahl der Protonen ist der Teil des Atoms, der ihm seine Identität verleiht. Aus diesem Grund wird diese Zahl Ordnungszahl genannt.
Die Ladung auf jedem Proton ist gleich groß, hat aber das entgegengesetzte Vorzeichen zur Ladung auf dem Elektron. Aus diesem Grund versteht es sich, dass im Kern eines neutralen Atoms die gleiche Anzahl von Elektronen wie Protonen vorhanden sein muss. In diesem Sinne wird die Anzahl der Elektronen in einem neutralen Atom durch die Ordnungszahl (Z) bestimmt.
Das ist sehr einfach zu verstehen, aber was ist mit Ionen? Wie wird die Anzahl der Elektronen und Protonen in einem Kation oder Anion bestimmt? Um es zu verstehen, müssen wir zuerst verstehen, was Ionen sind und wie sie gebildet werden.
Was ist ein Ion?
Ein Ion ist jede chemische Spezies, die eine elektrische Nettoladung hat. Dies impliziert, dass es ein Ungleichgewicht zwischen der Anzahl positiver Ladungen im Kern und der Anzahl negativer Ladungen in der umgebenden Elektronenwolke geben muss. Mit anderen Worten, ein Ion ist eine chemische Spezies, bei der die Anzahl der Protonen und Elektronen nicht gleich ist.
Ionen entstehen bei chemischen Reaktionen durch Abgabe oder Aufnahme von Elektronen, unabhängig davon, ob das Ion positiv oder negativ ist. Denn an chemischen Reaktionen ist nie der Kern beteiligt, sondern nur die Valenzelektronen, also die äußersten Elektronen eines Atoms.
Durch Abgabe oder Aufnahme von Elektronen entstehen je nach Ladung zwei Arten von Ionen: Kationen und Anionen.
Kationen
Sie sind Ionen, die eine positive Nettoladung haben. Diese Ionen entstehen, wenn ein neutrales Atom ein oder mehrere Elektronen verliert. Der Begriff Kation kommt von der Tatsache, dass diese Ionen während der Elektrolyse einer Lösung oder eines geschmolzenen Salzes diejenigen sind, die auf die Kathode oder Elektrode gerichtet sind, in der die Reduktionsreaktion stattfindet.
Wie berechnet man die Anzahl der Protonen und Elektronen in einem Kation?
Die positive Ladung von Kationen ist nicht darauf zurückzuführen, dass der Kern positiv geladene Protonen gewonnen hat, sondern vielmehr darauf, dass das Atom negativ geladene Elektronen verloren hat, wodurch ein Überschuss an positiven Ladungen zurückbleibt. Aus diesem Grund stellt der Wert der positiven Ladung die Anzahl der Elektronen dar, die das neutrale Atom verloren hat, um zum Kation zu werden.
In Anbetracht dessen ist die Anzahl der Elektronen in einem Kation nicht größer als die Anzahl der Elektronen, die das neutrale Atom ursprünglich hatte, abzüglich der Anzahl der positiven Ladungen auf dem Kation. Da andererseits der Kern des Atoms bei der Bildung des Kations nicht betroffen ist, ist die Anzahl der Protonen sowohl im neutralen Atom als auch im Kation gleich und gleich der Ordnungszahl des betreffenden Elements.
Nennen wir p die Zahl der Protonen, n e – die Zahl der Elektronen und q die Ladung des Kations, dann können wir sagen:
Zusammenfassend ist die Anzahl der Protonen in einem Kation gleich der Ordnungszahl des Elements, während die Anzahl der Elektronen durch Subtraktion der Ordnungszahl und der Ladung des Ions gegeben ist:
Anionen
Anionen sind das Gegenteil von Kationen. Sie sind Ionen, die eine negative Nettoladung haben und in den Elektrolysezellen zur Anode wandern , eine Tatsache, von der sie ihren Namen haben. Anionen werden gebildet, wenn ein neutrales Atom Elektronen gewinnt, wodurch ein Überschuss an negativen Ladungen entsteht, der nicht durch die positiven Ladungen des Kerns ausgeglichen wird.
Wie berechnet man die Anzahl der Protonen und Elektronen in einem Kation?
Nach der gleichen Logik wie zuvor ist die Anzahl der Protonen im Kern eines einatomigen Anions die gleiche wie im neutralen Atom, also gilt immer noch p = Z. Stattdessen ist die Anzahl der Elektronen in diesem Fall die Summe der Anzahl der Elektronen im neutralen Atom plus der Anzahl der negativen Ladungen am Anion. Dies kann geschrieben werden als:
In diesem Fall muss der Absolutwert von q so genommen werden , dass sich der Wert summiert, da Anionen mehr Elektronen als neutrale Atome haben. Um die Anzahl der Protonen und Elektronen in einem Anion zu berechnen, werden daher die folgenden Formeln verwendet:
Allgemeine Methode zur Berechnung der Anzahl von Protonen und Elektronen in einem Ion
Wie wir aus den beiden vorherigen Ausdrücken ersehen können, reicht es zur Bestimmung der Anzahl der Elektronen in einem Ion aus, die Ladung zu addieren oder zu subtrahieren, je nachdem, ob es sich um ein Anion oder ein Kation handelt. Dies ist jedoch gleichbedeutend damit, dass immer die elektrische Ladung des Ions abgezogen wird, solange wir das Vorzeichen der Ladung beim Ersetzen des Werts mit einbeziehen. Auf diese Weise subtrahieren wir, wenn es sich um ein Kation handelt (weil die Ladung positiv ist und bei Multiplikation mit dem Minus der Formel ist das Ergebnis negativ) und addieren, wenn es sich um ein Anion handelt (weil das Produkt des Negativs der Formel mit dem der Ladung ergibt ein positives Vorzeichen).
Das heißt, dass für jedes Ion, sei es positiv oder negativ, die Anzahl der Protonen und Elektronen gegeben ist durch:
Berechnung der Gesamtzahl der Valenzelektronen in mehratomigen Ionen
Ionen unterscheiden sich nicht nur durch ihre Ladung, sondern auch durch die Anzahl der Atome, aus denen sie bestehen. Die vorherigen Abschnitte beziehen sich auf Kationen und Anionen, die von einem einzelnen Atom gebildet werden. Das heißt, die obige Gleichung gilt nur für einatomige Ionen (obwohl sie für andere Arten von Ionen angepasst werden kann).
Es gibt jedoch auch eine Vielzahl von molekularen Kationen und Anionen, die aus zwei oder mehr Atomen bestehen, die durch kovalente Bindungen miteinander verbunden sind. In diesen Fällen ist es wichtig, die Anzahl der Elektronen in dieser Art von Ionen zu bestimmen, da diese Informationen es uns ermöglichen, die Lewis-Strukturen dieser Ionen aufzubauen und somit Informationen über die Arten der gebildeten Bindungen und die molekulare Geometrie um das Zentrum herum zu geben Atom oder Zentralatome, falls es mehr als eines gibt.
In diesen Fällen ist es jedoch nicht so wichtig, die Gesamtzahl der Elektronen in allen Atomen zu kennen, sondern die Gesamtzahl der Valenzelektronen, ohne die inneren Elektronen der Atome, aus denen das Ion besteht.
In diesem Fall wird die Formel für die Anzahl der Elektronen wie folgt modifiziert:
Wobei n e-Valence die Gesamtzahl der Valenzelektronen im Ion ist, #eV i die Anzahl der Valenzelektronen im Element i darstellt , n i die Anzahl der im Ion vorhandenen Atome des Elements i und q Ion wiederum ist , die Ladung des Ions mit dem jeweiligen Vorzeichen. Die Zahl der Valenzelektronen eines Elements lässt sich entweder anhand der elektronischen Konfiguration bestimmen oder anhand der Gruppe, in der es im Periodensystem steht ( hauptsächlich bei repräsentativen Elementen).
Beispiele zur Berechnung von Protonen und Elektronen einatomiger Ionen
Beispiel #1: Protonen und Elektronen des Eisenkations
Das Eisen(III)-Kation entspricht dem Fe 3+ -Ion , einem einatomigen Ion mit einem Eisenkern. Aus dem Periodensystem erhalten wir, dass die Ordnungszahl von Eisen 26 ist (Z = 26) und wie wir sehen können, hat das Ion drei positive Ladungen ( q = +3 ). Daher ist die Anzahl der Protonen und Elektronen im Eisenkation:
Beispiel #2: Protonen und Elektronen des Sulfidanions
Das Sulfidanion entspricht dem S2 – Ion , einem einatomigen Ion mit einem Schwefelkern und zwei negativen elektrischen Ladungen. Die Ordnungszahl von Schwefel ist 16 (Z = 16) und in diesem Fall q = – 2 . Daher ist die Anzahl der Protonen und Elektronen im Sulfidanion:
Beispiele zur Berechnung von Valenzelektronen mehratomiger Ionen
Beispiel #3: Valenzelektronen des Ammoniumkations (NH 4 + )
Das Ammoniumkation besteht aus 4 Wasserstoffatomen und einem Stickstoffatom und hat eine positive Ladung von +1. Das Element Wasserstoff gehört zur Gruppe 1A des Periodensystems, hat also 1 Valenzelektron, während Stickstoff zur Gruppe 5A gehört, also 5 Valenzelektronen hat. Wenden wir die Formel für die Anzahl der Valenzelektronen von Polyelektronenionen an, erhalten wir:
Daher hat das Ammoniumion insgesamt 8 Valenzelektronen, die auf seine fünf Atome verteilt sind.
Beispiel #4: Valenzelektronen des Nitratanions (NO 3 – )
Das Nitratanion besteht aus 3 Sauerstoffatomen und einem Stickstoffatom und hat eine negative Ladung von -1. Das Sauerstoffelement gehört zur Gruppe 6A des Periodensystems, weshalb es 6 Valenzelektronen hat, während es 5 Valenzelektronen hat , wie wir im vorherigen Beispiel gesehen haben. Wenden wir die Formel erneut an, erhalten wir:
Daher hat das Nitration insgesamt 24 Valenzelektronen, die auf seine vier Atome verteilt sind.
Verweise
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