3.3: Formeln für ionische Verbindungen

Wir haben bereits einige chemische Formeln für einfache ionische Verbindungen kennengelernt. Eine chemische Formel ist eine übersichtliche Auflistung der Elemente in einer Verbindung und der Verhältnisse dieser Elemente zueinander. Um besser zu verstehen, was eine chemische Formel bedeutet, müssen wir uns ansehen, wie eine ionische Verbindung aus ihren Ionen aufgebaut ist.

Ionische Verbindungen existieren als abwechselnde positive und negative Ionen in regelmäßigen, dreidimensionalen Anordnungen, die Kristalle genannt werden (Abbildung \(\PageIndex{1}\)). Wie Sie sehen können, gibt es in der Anordnung keine einzelnen NaCl-„Teilchen“, sondern ein kontinuierliches Gitter aus abwechselnden Natrium- und Chlorid-Ionen. Wir können jedoch das Verhältnis von Natrium- zu Chlorid-Ionen, ausgedrückt in den kleinstmöglichen ganzen Zahlen, zur Beschreibung der Verbindung verwenden. Im Falle von Natriumchlorid ist das Verhältnis von Natrium- zu Chloridionen, ausgedrückt in den kleinsten ganzen Zahlen, 1:1, so dass wir NaCl (ein Na-Symbol und ein Cl-Symbol) verwenden, um die Verbindung zu beschreiben. NaCl ist also die chemische Formel für Natriumchlorid, die die relative Anzahl der verschiedenen Ionen in der Verbindung kurz und bündig beschreibt. Eine makroskopische Probe besteht aus Myriaden von NaCl-Paaren; jedes Paar wird als Formeleinheit bezeichnet. Obwohl es bequem ist, sich vorzustellen, dass NaCl-Kristalle aus einzelnen NaCl-Einheiten bestehen, zeigt Abbildung \(\PageIndex{1}\), dass kein einzelnes Ion ausschließlich mit einem anderen einzelnen Ion verbunden ist. Jedes Ion ist von Ionen mit entgegengesetzter Ladung umgeben.

Die Formel für eine ionische Verbindung folgt mehreren Konventionen. Zunächst wird das Kation vor dem Anion geschrieben. Da die meisten Metalle Kationen und die meisten Nichtmetalle Anionen bilden, wird in den Formeln normalerweise zuerst das Metall und dann das Nichtmetall aufgeführt. Zweitens werden Ladungen nicht in eine Formel geschrieben. Denken Sie daran, dass in einer ionischen Verbindung die Bestandteile Ionen und nicht neutrale Atome sind, auch wenn die Formel keine Ladungen enthält. Schließlich gilt für die richtige Formel einer Ionenverbindung immer die folgende Regel: Die gesamte positive Ladung muss gleich der gesamten negativen Ladung sein. Um die richtige Formel für eine beliebige Kombination von Ionen zu ermitteln, bestimmt man, wie viele von jedem Ion benötigt werden, um die gesamten positiven und negativen Ladungen in der Verbindung auszugleichen.

Diese Regel beruht letztlich auf der Tatsache, dass Materie insgesamt elektrisch neutral ist.

Betrachten wir die ionische Verbindung, die aus Lithium- und Bromid-Ionen besteht, so sehen wir, dass das Lithium-Ion eine 1+ Ladung und das Bromid-Ion eine 1- Ladung hat. Um diese Ladungen auszugleichen, wird nur ein Ion von beiden benötigt. Die Formel für Lithiumbromid lautet LiBr.

Wenn eine ionische Verbindung aus Magnesium und Sauerstoff gebildet wird, hat das Magnesiumion eine 2+ Ladung und das Sauerstoffatom eine 2-Ladung. Obwohl diese beiden Ionen eine höhere Ladung als die Ionen in Lithiumbromid haben, halten sie sich im Verhältnis 1:1 die Waage. Daher lautet die richtige Formel für diese ionische Verbindung MgO.

Betrachten wir nun die ionische Verbindung, die von Magnesium und Chlor gebildet wird. Ein Magnesium-Ion hat eine 2+ Ladung, während ein Chlor-Ion eine 1-Ladung hat:

Mg2+ Cl-

Die Kombination von je einem Ion gleicht die positiven und negativen Ladungen nicht vollständig aus. Der einfachste Weg, diese Ladungen auszugleichen, ist die Annahme, dass für jedes Magnesiumion zwei Chloridionen vorhanden sind:

Mg2+ Cl- Cl-

Jetzt sind die positiven und negativen Ladungen ausgeglichen. Wir könnten die chemische Formel für diese ionische Verbindung als MgClCl schreiben, aber die Konvention ist, einen numerischen Index zu verwenden, wenn es mehr als ein Ion eines bestimmten Typs gibt – MgCl2. Diese chemische Formel besagt, dass es ein Magnesiumion und zwei Chloridionen in dieser Formel gibt. (Lesen Sie den „Cl2“-Teil der Formel nicht als ein Molekül des zweiatomigen Elements Chlor. Chlor kommt in dieser Verbindung nicht als zweiatomiges Element vor. Vielmehr liegt es in Form von zwei einzelnen Chloridionen vor). Konventionell wird in den Formeln ionischer Verbindungen das kleinste ganzzahlige Verhältnis verwendet. Die Formel Mg2Cl4 hat ausgeglichene Ladungen mit den Ionen im Verhältnis 1:2, aber es ist nicht das kleinste ganzzahlige Verhältnis.