Salze – Ionengitter und Kristalle
Ein Ionengitter ist die regelmäßige, dreidimensionale Anordnung von positiv und negativ geladenen Ionen in einem Salz. Durch elektrostatische Anziehungskräfte halten sich die Ionen im Gitter zusammen, was Salzen ihre typische feste Struktur und hohe Schmelzpunkte verleiht.
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Grundlagen zum Thema Salze – Ionengitter und Kristalle
Salze und Ionengitter in der Chemie
Wusstest du, dass Salze Ionengitter ausbilden? In der Chemie hört man manchmal auch den Begriff Salzgitter. Nur wie entsteht ein Ionengitter? Wie ist ein Ionengitter aufgebaut und welche Eigenschaften haben Salze? Das erfährst du hier in diesem Lerntext.
Was ist ein Ionengitter? – Definition
Salze bestehen aus positiv geladenen Ionen (Kationen) und negativ geladenen Ionen (Anionen). Bei der Bildung von Salzen ordnen sich diese in einer Gitterstruktur an, was einer regelmäßigen räumlichen Anordnung entspricht. Aber wie entsteht ein Ionengitter und welche Kräfte gibt es im Ionengitter? Einfach erklärt ist ein Ionengitter ein Verband aus verschieden geladenen Ionen, die sich in alle Richtungen durch die sogenannten Coulombkräfte anziehen. Das Ionengitter entsteht also durch die Ionenbindung.
Folgendes Beispiel soll das eben Beschriebene verdeutlichen: Das (gefährliche) Metall Natrium $\ce{Na}$ und das (giftige) Gas Chlor $\ce{Cl}$ reagieren zu dem lebensnotwendigen Kochsalz Natriumchlorid $\ce{NaCl}$. Im Kochsalz werden die Natrium- und Chloridionen durch die Ionenbindung zusammengehalten. Um die Struktur des Kochsalzes richtig widerzuspiegeln, wird statt der Summenformel $\ce{NaCl}$ die Ionenschreibweise $\ce{Na+ Cl-}$ verwendet. Die Reaktionsgleichung zur Bildung von Natriumchlorid siehst du hier:
$\ce{2Na+ + {{Cl_2}^-} -> 2Na+Cl-}$
Das Kochsalz Natriumchlorid $\ce{Na+ Cl-}$ bildet dabei eine Gitterstruktur – das Ionengitter – aus. Wie sich ein Ionengitter ausbildet und wie das Ionengitter von Natriumchlorid aufgebaut ist, zeigt die folgende Abbildung:
Ionengittertypen – Erklärung
Ionenkristalle können unterschiedliche Formen annehmen. Die Struktur des Ionengitters ist abhängig vom Größen- und Ladungsverhältnis der Ionen. Die Koordinationszahl gibt dabei an, wie viele Anionen ein Kation in einer sogenannten Elementarzelle umgeben. Die Elementarzelle ist die kleinste geometrische Einheit eines Ionengitters. Beispielsweise besteht die Elementarzelle von Natriumchlorid aus sechs Natriumionen und sechs Chloridionen, die sich im Ionengitter ständig wiederholt.
Welche Moleküle bilden Ionenkristalle? In der Tabelle sind drei Salze mit einem kubischen Kristallsystem gezeigt.
| Salze | Koordination | Kristallsystem |
|---|---|---|
| Sphalerit (Zinkblende) $\ce{ZnS}$ $\ce{Zn^{2+}S^{2-}}$ |
4 : 4 (Jedes Zinkkation ist von 4 Sulfidanionen umgeben und jedes Sulfidanion ist von 4 Zinkkationen umgeben.) | kubisch |
| Natriumchlorid $\ce{NaCl}$ $\ce{Na+Cl-}$ |
6 : 6 (Jedes Natriumkation ist von 6 Chloridanionen umgeben und jedes Chloridanion ist von 6 Natriumkationen umgeben.) | kubisch |
| Caesiumchlorid $\ce{CsCl}$ $\ce{Cs+Cl-}$ |
8 : 8 (Jedes Caesiumkation ist von 8 Chloridanionen umgeben und jedes Chloridanion ist von 8 Caesiumkationen umgeben.) | kubisch |
Wie viele Ionen miteinander verbunden sind, ist vor allem abhängig davon, wie groß das Verhältnis zwischen dem Ionenradius der Reaktionspartner ist. Bei einem sehr großen Kation, wie dem $\ce{Cs+}$, und einem sehr kleinen Anion, wie dem $\ce{Cl-}$, ist die Koordinationszahl deshalb groß.
Eine Sonderform des Ionengitters ist Kristallwasser. Dabei sind die Wassermoleküle in den kristallinen Strukturen gebunden.
Eigenschaften von Salzen und Ionengitter
Salze können in unterschiedlichen Farben oder Kristallen auftreten. Dennoch haben sie auch einige Gemeinsamkeiten. Die Eigenschaften, die den Salzen gemeinsam sind, wurden in der folgenden Liste notiert.
- Salze haben eine Gitterenergie. Das ist diejenige Energie, die aufgewendet werden muss, um ein Ionengitter zu zerstören. Aufgrund dieser Gitterenergie ist ein Ionengitter sehr stabil. Natriumchlorid hat beispielsweise eine Gitterenergie von $\pu{788 kJ//mol}$.
- Salze bestehen aus einem Nichtmetallion mit einem Metallion. Zwischen den Anionen und Kationen eines Salzes liegt eine hohe Differenz in den Elektronegativitäten vor (Ionenbindung: ${\Delta EN} > 1,7$).
- Außerdem haben Salze eine hohe Kristallisationsfähigkeit sowie einen hohen Schmelzpunkt. Bei Natriumchlorid beträgt er beispielsweise $ \pu{801 °C}$.
- Salzschmelzen können den elektrischen Strom leiten, wobei die Ionen als Ladungsträger dienen.
- Die meisten Salze sind wasserlöslich.
Ionengitter und Kristalle – Zusammenfassung
Wir haben uns angesehen, was ein Salzionengitter ist, wie es zum Ionengitter kommt, welche Kristallgitter von Ionen ausgebildet werden, wie ein Ionenkristall entsteht, wie ein Salz aufgebaut ist und wie die Gitterenergie entsteht. Die räumliche Struktur von Salzen zeigt sich durch die Bildung eines Ionengitters. Dabei ordnen sich die Ionen dreidimensional an, weil sie sich gegenseitig von allen Seiten anziehen. Bei dieser Anziehung handelt es sich um Ionenbindungen. Bei Natriumchlorid spricht man auch von einem Kochsalzkristall. Einfach erklärt ist das Ionengitter des Kochsalzes ein kubischer Kristall, der sich aus sich wiederholenden Einheiten von sechs Natriumionen und sechs Chloridionen bildet.
Wenn du noch mehr über wichtige Salze und Ionen oder die Bedeutung von Salzen erfahren möchtest, kannst du dir die Videos dazu anschauen. Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!
Salze – Ionengitter und Kristalle Übung
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Gib an, was bei der Salzkristallisation am Toten Meer passiert.
TippsDer Salzgehalt im Toten Meer ist deutlich höher als in anderen Meeren.
LösungSie begegnen dir sehr häufig im Alltag sowie im Chemieunterricht: die Salze. Das Kochsalz verwendet man zum Kochen und Würzen, das Streusalz im Winter zum Auftauen von vereisten Flächen.
Salze sind chemisch gesehen Ionenverbindungen, die sich aus Kationen und Anionen zusammensetzen.Am Toten Meer gibt es ziemlich viel Salz. Das liegt daran, dass dort der Salzgehalt deutlich höher ist als in anderen Meeresregionen.
Das Meerwasser ist nichts anderes als in Wasser gelöstes Salz. Wenn das Wasser durch die Sonneneinstrahlung verdunstet, also vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht, dann bleibt das Meersalz zurück: Es bilden sich Salzkristalle. Diesen Vorgang nennt man Kristallisation.
-
Definiere ein Salz.
TippsDas ist ein Beispiel für ein Ionengitter.
LösungDas bekannteste Salz ist das Kochsalz (Natriumchlorid), doch es gibt noch viele weitere Salze. Sie alle haben Folgendes gemeinsam:
- Salze sind Ionenverbindungen, die sich aus Kationen und Anionen zusammensetzen.
- Ein besonderes Merkmal der Salze ist, dass die Ionen feste Plätze in einer räumlichen Anordnung einnehmen.
- Durch die Anordnung in einem Ionengitter bilden sie eine Kristallstruktur. Dafür verantwortlich ist die Coulombkraft (elektrostatische Anziehung).
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Kennzeichne die Gitterstrukturen.
TippsMit der Koordinationszahl wird angegeben, von wie vielen Kationen ein Anion umgeben ist und umgekehrt.
Jedes Natrium-Ion ist von sechs Chlorid-Ionen in der Gitterstruktur umgeben.
LösungWir sprechen von der Kristallstruktur oder schlicht dem Kristall, wenn die Gitterstruktur eines Salzes gemeint ist. Es gibt verschiedene Strukturen. Drei Gitterstrukturen sind besonders wichtig, da viele Salze so aufgebaut sind:
- Die einfachste Anordnung ist eine Struktur wie bei Natriumchlorid, bei der die Kationen und Anionen abwechselnd nebeneinandersitzen. Jedes Natrium-Ion ist hier von sechs Chlorid-Ionen umgeben und umgekehrt genauso. Mit der Koordinationszahl 6 wird dieser Zusammenhang ausgedrückt.
- Bei Cäsiumchlorid hat jedes Cäsium-Ion acht Chlorid-Ionen als Nachbarn. Hier sprechen wir also von der Koordinationszahl 8.
- Bei der Zinkblende-Struktur (das ist Zinksulfid) haben wir hingegen die Koordinationszahl 4. Das bedeutet, dass ein Zink-Ion vier benachbarte Sulfid-Ionen hat.
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Erläutere die Eigenschaften der Salze.
TippsJe stärker die Anziehungskraft zwischen den Teilchen ist, desto höher ist die Schmelz- und Siedetemperatur.
Elektrische Isolatoren werden auch „Nichtleiter“ genannt.
LösungDie Ionenbindungen in den festen Gitterstrukturen sind sehr stark. Deshalb haben Salze generell sehr hohe Schmelz- und Siedetemperaturen.
Aus demselben Grund sind die Kristalle einzeln auch sehr hart und lassen sich nicht verformen. Allerdings zerbrechen sie leicht, sind also spröde.
Dass die Ladungen im Normalzustand ausgeglichen und unbeweglich sind, führt dazu, dass Salze als Feststoffe elektrische Isolatoren sind, also elektrischen Strom nicht leiten.
Ganz anders sieht das aus, wenn ein Salz in Wasser gelöst wird: Nun liegen die Ionen einzeln in Lösung vor und sind frei beweglich. Eine Salzlösung kann also elektrischen Strom leiten.
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Gib an, bei welchen Bildern es sich um Salze handelt.
TippsEs gibt zwei richtige Antworten.
Der typische Würfelzucker dient dazu, Kaffee oder Tee zu süßen.
LösungSalze begegnen dir häufig im Alltag. Vor allem das Kochsalz, auch Speisesalz genannt, sollte dir bekannt sein.
Das Kochsalz verwenden wir zum Beispiel, um das Nudelwasser zu salzen. Ohne Salz würden viele gekochte Gerichte nämlich sehr fade (geschmacklos) schmecken.
In dem Salzsee Salar de Uyuni in Bolivien gibt es schöne, große Salzkristalle zu bestaunen. Die bolivianische Salzwüste zieht jährlich viele Besucher und Besucherinnen an.
Mehl und Zucker sind keine Salze: Zucker und Salze gleichen sich zwar darin, dass sie kristalline Strukturen bilden können. Sie unterscheiden sich jedoch in ihrer chemischen Natur: Zucker wie Saccharose weisen kovalente Bindungen auf, während Salze wie Natriumchlorid ionische Bindungen aufweisen.
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Erkläre, was passiert, wenn Kochsalz in Wasser gelöst wird.
TippsEs gibt drei richtige Antworten.
Das Lösen von Kochsalz in Wasser ist ein physikalischer Vorgang, also keine chemische Reaktion.
LösungIm Normalzustand sind die Ionen im Salz ausgeglichen und unbeweglich. Das führt dazu, dass Salze als Feststoffe elektrische Isolatoren, also Nichtleiter, sind.
Werden Salze allerdings in Wasser gelöst, sieht es anders aus: Salze lösen sich, wenn die Hydratationsenergie, die durch die Wechselwirkung mit den Wasserteilchen zugeführt wird, mindestens so groß ist wie die Gitterenergie, die in den Ionenbindungen steckt.
Nun lösen sich die Ionen aus der Gitterstruktur, liegen einzeln in Lösung vor und sind frei beweglich. Deshalb können sie sich auch zum Plus- beziehungsweise Minuspol bewegen, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Eine Salzlösung ist also elektrisch leitfähig.
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