Kapitel 6

Eine Einführung in die Stoffklasse der Salze

Abb. 6.1: Aus Steinsalz werden auch Lampen gefertigt.

Der Aufbau von salzartigen Stoffen unterscheidet sich grundsätzlich von anderen Stoffen. Sielernen diese Besonderheiten auf den folgenden Seiten kennen. Sie lernen die Salze zu mit Wortenzu benennen und mit Formeln zu beschreiben.

• Sie können den Aufbau von salzartigen Stoffen in eigenen Wortenerläutern.

• Sie können Salze richtig benennen und korrekt mit Formeln be-schreiben.

• Sie können Stoffeigenschaften von Salzen aus ihrem Aufbau ablei-ten.

106 Eine Einführung in die Stoffklasse der Salze

6.1 Eigenschaften, Aufbauprinzip und Struktur von Salzen

Aufbau Als Salze werden Reinstoffe und Stoffgemische bezeichnet, deren kleinste Teilchenelektrisch geladen sind. Reine Salze bestehen dabei aus zwei Sorten kleinster Teilchen: einer po-sitiv geladenen Sorte von Ionen, (Def) Kationen genannt und einer negativ geladenen Sorte vonIonen, die als (Def) Anionen bezeichnet werden. Das Zahlenverhältnis von negativ und positivgeladenen Ionen in einem Salz ist gerade so, dass sich insgesamt alle positiven und negativenLadungen ausgleichen: Das Salz als Stoff ist insgesamt elektrisch neutral.

Struktur Im festen Zustand weisen fast alle Salze eine regelmässige Anordnung auf. Anionenund Kationen sind im sogenannten (Def) Ionengitter regelmässig und sich ständig wiederholendangeordnet. Die Art der Anordnung ergibt sich aus der Grössenverhältnis und dem Zahlenver-hältnis der beiden Ionensorten. Auch Druck und Temperatur bestimmen die Anordnung derIonen. Die regelmässige Anordnung erstreckt sich in alle drei Raumrichtungen. Auch ein vonAuge kaum sichtbarer Kristall besteht aus Billionen von regelmässig angeordneten Ionen.

Eigenschaften Salze, als aus geladenen Teilchen aufgebaute Stoffe, zeichnen sich durch einebesondere Kombination von Eigenschaften aus:

Hart und spröde Salze sind sehr harte Stoffe. Sie sind weder dehnbar, noch elas-tisch noch plastisch verformbar. Sie sind sehr spröde, das heisst Sie zersplitternbei plötzlicher und hoher Belastung.

Hohe Schmelz- und Siedetemperaturen Alle Salze sind Feststoffe. Entwederwerden Salze erst bei sehr hohen Temperaturen flüssig und gasförmig, odersie zersetzen sich, bevor sie schmelzen oder sieden.

Elektrisch leitend im flüssigen oder gelösten Zustand Feste Salze leiten denelektrischen Strom nicht. Erst wenn Sie entweder als Schmelze oder in Wassergelöst vorliegen, leiten Salze den elektrischen Strom.

Hydrophil und lipophob Wasser ist das beste Lösungsmittel für die meisten Sal-ze. Aber auch in Wasser sind nicht alle Salze gut löslich. Sehr viele Salze sindaber in fettähnlichen Lösungsmittel vollständig unlöslich.

Beispiel Kochsalz Das Salz, das Sie am besten kennen, wird mit der Formel NaCl beschrieben.Kochsalz ist aus positiv geladenen Natrium-Ionen (Na+) und negativ geladenen Chlorid-Ionen(Cl−) aufgebaut. Als Stoff besteht Kochsalz aus harten, spröder Kristallen. Kochsalz wird erst beiTemperatur oberhalb von 800 ◦C flüssig. Kochsalz löst sich gut in Wasser. Eine Kochsalz-Schmelzeund eine Kochsalz-Lösung leiten den elektrischen Strom. Während dem Kochsalz-Kristalle meh-

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Eine Einführung in die Stoffklasse der Salze 107

rere Meter gross werden können, sind die einzelnen Ionen so klein, dass wir uns ihre Anordnunglediglich mit Modellen vor Augen führen können.

Vergleich Stoff - Teilchenmodell In der folgenden Gegenüberstellung von Kristall sowie2D und 3D Modellansichten sind die Na+-Ionen als rote Kügelchen und Cl−-Ionen als grüneKügelchen dargestellt:

Kochsalz-Kristall im 2D-Modell

Kochsalz-Kristall im 3D-Modell

Binäre Salze

Besteht ein Salz aus zwei einatomigen Ionensorten, wie zu Beispiel Kochsalz, so spricht manvon einem (Def) binären Salz . Der Name beschreibt die Tatsache, dass nur zwei Elemente,das heisst Atomsorten, vorkommen (bi für zwei). Da binäre Salze nur aus einatomigen Ionenbestehen, können Sie sich auch beim sehr starken Erhitzen nicht zersetzen. Binäre Salze besitzensomit einen Schmelzpunkt und häufig auch einen Siedepunkt.

Schmelz- und Siedepunkte können bei binären Salzen sehr hoch liegen, wie das Beispiel Ma-gnesiumoxid, MgO, zeigt: Schmelzpunkt 2852 ◦C, Siedepunkt ca. 3600 ◦C.

Im Gegensatz zersetzen sich Salze, die aus mehratomige Ionen aufgebaut sind bereits bei sehrviel niedrigeren Temperature. Der Grund liegt bei den kovalenten Bindungen in den mehratomi-gen Ionen, die durch Wärme gespalten werden.

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108 Eine Einführung in die Stoffklasse der Salze

6.2 Die ionische Bindung

Kraft zwischen Teilchen Ungleichartig geladene Körper und Teilchen ziehen sich an, gleich-artig geladene Körper und Teilchen stossen sich ab. Die Anziehung zwischen ungleichartig gela-denen Ionen in einem festen Salz wird als (Def) Ionische Bindung bezeichnet.

Eine Frage des Abstandes Aus dem 2D-Modell von Kochsalz (Na+-Ionen als rote Kügelchen

und Cl−-Ionen als grüne Kügelchen dargestellt) wird deutlich, dass der Abstand zwischenbenachbarten Na+-Ionen und Cl−-Ionen kleiner ist, als der Abstand von Na+-Ionen zu anderenNa+-Ionen oder der Abstand von Cl−-Ionen zu anderen Cl−-Ionen. Da die elektrische Kraft ab-standsabhängig ist, sind die anziehenden Kräfte in einem Ionengitter grösser als die abstossendenKräfte.

Zur Erinnerung Die Kraft zwischen zwei geladenen Körpern oder Teilchen ist Abhängig vonden elektrischen Ladungen der beiden Körper, q1 und q2, und dem Abstand zwischen den Mittel-punkt der Körper. Das sogenannte (Def) Coulomb-Gesetz beschreibt die exakte Abhängigkeitder Kraft:

Coulomb-Gesetz

F ∼q1 · q2

d2(6.1)

In Worten: Die Kraft zwischen den Teilchen ist proportional zu der Grösse der La-dungen q1 und q2 von Teilchen 1 und Teilchen 2 und umgekehrt proportional zumQuadrat des Abstandes d zwischen den Teilchen.

Auch zur Erinnerung Gleichartige geladene Dinge stossen sich ab, ungleichartig geladeneDinge ziehen sich an. Ohne elektrische Ladung gibt es keine elektrostatische Anziehung oderAbstossung.

Abb. 6.2: Elektrisch geladene Körper oder Teilen üben Kräfte aufeinander aus. [1]

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6.3 Der elektronische Aufbau von Ionen

Weshalb sind geladene Teilchen überhaupt stabil? Die Antwort ergibt sich durch einenVergleich mit den Atomen der Edelgas-Elemente. Die Edelgas-Elemente Helium, Neon, Argon,Krypton, Xenon und Radon bestehen als einzige elementare Reinstoffe aus einzelnen Atomen.Diese Atome zeigen überhaupt kein Bestreben, Moleküle oder Ionen zu bilden. Die Ursache fürdiese hohe Stabilität der Edelgas-Atome ist im Aufbau ihrer Atomhülle zu suchen. Je nachdem,mit welchem Atommodell die Atomhülle beschrieben wird, heisst das:

Die Atomhülle von Edelgas-Atomen in verschiedenen Atommodellen

Im Schalenmodell weisen Edelgas-Atome eine ganz gefüllte Valenzschale (He, Ne)oder eine mit 8Elektronen gefüllte Valenzschale (Ar, Kr, Xe, Rn) auf.

Im Bohr-Sommerfeld-Modell mit Unterschalen sind bei Edelgas-Atomen dies- und p-Unterschalen der Valenzschale ganz gefüllt.

Im Orbital-Modell haben Edelgas-Atome die maximale Anzahl Elektronen in ei-nem Zustand mit Nebenquantenzahlen l=0 und l=1 bei der höchsten Haupt-quantenzahl n.

Allgemeines Stabilitätsprinzip Die chemische Erfahrung zeigt, dass nicht nur einzelne Ato-me sehr stabil sind, wenn sie mit 2 oder 8Elektronen gefüllte Atomhüllen besitzen: Alle kleinstenTeilchen, bei denen die Atomhüllen mit 2 beziehungsweise mit 8Elektronen gefüllt sind, zeichnensich durch eine besondere Stabilität aus. Diese Erfahrungstatsache wird in einer der wichtigstenchemischen Regeln zusammengefasst: der Edelgasregel.

Die Edelgasregel

Formulierung 1 Alle kleinsten Teilchen wie Atome, einatomige Ionen, Moleküleund mehratomige Ionen, bei denen sämtliche Atome Anteil an gleich vielenElektronen haben, wie das Edelgas-Atom, das Ihnen im Periodensystem derElemente am nächsten steht, zeichnen sich durch eine hohe Stabilität aus.

Formulierung 2 Das chemische Verhalten von Atomen zeigt ihr Bestreben, Anteilan gleich vielen zu Elektronen haben, wie das Edelgas-Atom, das Ihnen imPeriodensystem der Elemente am nächsten steht.

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110 Eine Einführung in die Stoffklasse der Salze

Für einatomige und mehratomige Ionen heisst das konkret:

Die Edelgasregel bei Ionen:

Einatomige Ionen Das einatomige Ion hat die gleiche Atomhülle wie das im Peri-odensystem der Elemente am nächsten gelegene Edelgas-Atom.

Mehratomige Ionen Alle Atome erfüllen die Edelgasregel. Die Atome sind durchkovalente Bindungen verbunden. Mehratomige Ionen sind in diesen beidenAspekten gleich wie Moleküle.

Einatomige Ionen Die Elemente der Hauptgruppen I, II und III bilden positiv geladene Ionenund weisen die gleiche Elektronenhülle auf, wie die Edelgas-Elemente, das vor ihnen im Peri-odensystem stehen. Elemente der Hauptgruppe IV bilden keine einatomigen Ionen. Die Elementeder Hauptgruppen V, VI und VII bilden negativ geladene Ionen und weisen die gleiche Elektro-nenhülle auf, wie die Edelgas-Elemente, die nachihnen im Periodensystem stehen. Elemente derHauptgruppe VIII sind Edelgas-Elemente. Einige Beispiele:

• Lithium-Ionen mit Ordnungszahl 3 (OZ 3) weisen die gleiche Elektronenhülle auf wieHelium-Atome (OZ 2). Sie besitzen also 2 e− in der Hülle aber 3 p+ im Kern. Die La-dung von Lithium-Atomen ist +1.

• Aluminium-Ionen (OZ 13) besitzen gleich viele Elektronen wie Neon-Atome (OZ 10). DieLadung von Aluminium-Ionen ist +3. Aluminium-Ionen werden mit Al3+ bezeichnet.

• Sauerstoff-Ionen mit OZ 8 weisen die gleiche Elektronenhülle wie Neon-Atome (OZ 10) auf.Die Ladung von Sauerstoff-Ionen ist -2 und die Schreibweise für Sauerstoff-Ionen ist O2−.

Kurz und bündig Merken Sie sich, wie Sie die Ladung von einatomigen Ionen einfach ausdem PSE ableiten können:

Positiv geladene einatomige Ionen Elemente der Hauptgruppen I, II und IIIbilden positiv geladene Ionen. Die Gruppennummer entspricht der positivenLadung.

Negativ geladene einatomige Ionen Elemente der Hauptgruppen V, VI und VIIbilden negativ geladenen Ionen. Die Ladung der Ionen ergibt sich aus der Re-chenregel: 8 - Gruppennummer.

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Eine Einführung in die Stoffklasse der Salze 111

6.4 Die Verhältnisformel von Salzen

Lernaufgabe

Ziel In dieser Aufgabe lernen Sie, Salze mit Verhältnisformeln zu beschreiben.

Ablauf Sie arbeiten zu zweit in einer Partnerarbeit während 10Minuten zusammen. Sie bear-beiten alle Teilaufgaben der Reihe nach schriftlich. Sie schlagen die Lösungen erst dann nach,wenn Sie alle Teilaufgaben gelöst haben.

Teilaufgaben

1. Merken Sie sich: Eine (Def) Verhältnisformel beschreibt das Zahlenverhältnis, in wel-chem die positiv und die negativ geladenen Ionensorte zueinander in einem Salz vorkom-men.

2. Bestimmen Sie die Verhältnisformel von Kochsalz. Das ist Salz, in dem die Elemente Na-trium und Chlor vorkommen:

a) Bestimmen Sie die Ladung der positiv und der negativ geladenen Ionensorte.

b) In welchem Verhältnis müssen die positiv und die negativ geladenen Ionensorten imSalz enthalten sein, damit das Salz insgesamt elektrisch neutral ist?

c) Drücken Sie dieses Zahlenverhältnis in Form von möglichst kleinen ganzen Zahlen aus.

d) Schreiben Sie die Verhältnisformel auf, indem Sie zuerst das Atomsymbol der posi-tiv geladenen Ionensorte schreiben, dann als tiefergestellten Index die Verhältniszahlfür die diese Ionensorte und anschliessend das Atomsymbol für die negativ geladeneIonensorte, gefolgt von der anderen Verhältniszahl als tiefergestelltem Index.

3. Ihre Verhältnisformel sollte Na1Cl1 lauten. Alle Index 1 können, wie auch bei allen anderenFormeln, weggelassen werden, so dass die Verhältnisformel NaCl geschrieben wird.

4. Falls Ihnen die Schritte zur Bestimmung der Verhältnisformel von Kochsalz nicht zu 100%klar sind, beginnen Sie die Aufgabe wieder von vorne, ansonsten fahren Sie fort.

5. Bestimmen Sie auf die gleiche Art und Weise die Verhältnisformeln folgender Salze:

a) Lithiumfluorid, das die Elemente Lithium und Fluor enthält.

b) Kaliumbromid, das die Elemente Kalium und Brom enthält.

c) Bariumiodid, das die Elemente Barium und Iod enthält.

d) Calciumoxid, das die Elemente Calcium und Sauerstoff enthält.

e) Rubidiumsulfid, das die Elemente Rubidium und Schwefel enthält.

f) Aluminiumoxid, das die Elemente Aluminium und Sauerstoff enthält.

g) Aluminiumnitrid, das die Elemente Aluminium und Stickstoff enthält.

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112 Eine Einführung in die Stoffklasse der Salze

Bemerkung Der Begriff Elemente wird hier im Sinne von Atomsorte verwendet. „Lithium-fluorid enthält die Elemente Lithium und Fluor“ ist also so zu verstehen, dass im ReinstoffLithiumfluorid Atomkerne des Typs Lithium und Atomkerne des Typs Fluor vorkommen.

Achtung! Halten Sie Verhältnisformeln von Salzen und Summenformeln von Molekülen aus-einander!

Ein kleiner Tipp der stöchiometrische Index der positiv geladenen Ionensorte entspricht invielen Beispielen gerade dem Ladungsbetrag der negativ geladenen Ionensorte. Umgekehrt giltdasselbe.

6.5 Aufgaben zum Kapitel

1. Bestimmen Sie die Verhältnisformel der folgenden Salze:

a) Bariumoxid (Elemente Ba und O)

b) Magnesiumnitrid (Elemente Mg und N)

c) Fraciumchlorid (Elemente Fr und Cl)

d) Kaliumphosphid (Elemente K und P)

2. Worin liegt der fundamentale Unterschied zwischen einer Verhältnisformel und einer Sum-menformel? Formulieren Sie Ihre Antwort in ganzen Sätzen aus.

3. Erläutern Sie prägnant aber fachlich fundiert, weshalb „Der kleine Tipp“ oben funktioniert.Geben Sie auch hier Ihre Antwort in Form von ausformulierten Sätzen an.

4. Bei welchen chemischen Formeln handelt es sich um eine Summenformel eines molekularenStoffs, bei welchen um die Verhältnisformel eines Salzes und bei welchen um keines vonbeiden? Geben Sie zu jeder Antwort eine stichwortartige Begründung an.

a) FCl

b) NaK

c) AlCl3

d) MgCa

e) CCl4

f) LiBr

Zu den Lösungen I

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6.6 Definitionen

Definition 1 (Kation). Als Kation wird ein positiv geladenes einatomiges oder mehratomigesIon bezeichnet.

Definition 2 (Anion). Als Anion wird ein negativ geladenes einatomiges oder mehratomigesIon bezeichnet.

Definition 3 (Ionengitter). Als Ionengitter wird die regelmässige Anordnung von Ionen ineinem festen Salz bezeichnet.

Definition 4 (Ionische Bindung). Als ionische Bindung wird die elektrostatische Anziehungzwischen Ionen ungleichartiger Ladung in einem Ionengitter bezeichnet.

Definition 5 (Coulomb-Gesetz). Das Coulomb-Gesetz beschreibt die Abhängigkeit der elek-trostatischen Kraft zwischen zwei geladenen Körpern von ihrer Ladung und ihrem gegenseitigenAbstand und wurde nach dem französischen Physiker Henry Coulomb benannt.

Definition 6 (Verhältnisformel). Ein Formeltyp, der die kleinstmöglichen Zahlenverhältnisseder Atome der beteiligten chemischen Elemente in einer chemischen Verbindung angibt.

Definition 7 (Binäres Salz). Ein Salz, das aus einer einatomigen, positiv geladenen Ionensor-te und einer einatomigen, negativ geladenen Ionensorte und somit aus zwei Elementen aufgebautist.

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114 Eine Einführung in die Stoffklasse der Salze

6.7 Lösungen zu den Kapitelaufgaben

1. a) BaO

b) Mg3N2

c) FrCl

d) K3P

2. -

3. -

4. a) Summenformel Flüchtiger Stoff (Molekularer Stoff)

b) Weder noch

c) Verhältnisformel Salz

d) Weder noch

e) Summenformel Flüchtiger Stoff (Molekularer Stoff)

f) Verhältnisformel Salz

Zu den Aufgaben I

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Lernabsichten und Erfolgskriterien

Lernabsicht Erfolgskriterium

Unistrukturell

Definitionen. Ich kann alle Definitionen aufsagen und aufschreiben.

Eigenschaften von Salzen kennen. Ich kann alle typischen Eigenschaften von Salzen aufzählen.

Aufbau von Salzen kennen. Ich kann den Aufbau von Salzen in Wort, Schrift und mit Skizzenerläutern und beschreiben.

Edelgasregel kennen. Ich kann beide Formulierungen der Edelgasregel aufschreiben.

Multistrukturell

Edelgasregel anwenden. Ich kann die Ladung von einatomigen Ionen mit Hilfe derEdelgasregel und des PSE ableiten.

Verhältnisformel von Salzen Ich kann die Verhältnisformel eines binären Salzes aus denenthaltenen Elementen ableiten.

Lernabsicht Erfolgskriterium

Relational

Stabilität von Teilchen beurteilen. Ich kann die Stabilität kleinster Teilchen mit ihrer elektronischenStruktur begründen, welche die Edelgasregel erfüllt. Ich kann diebeiden Formulierungen der Edelgasregel auf die elektronischeStruktur von Edelgas-Atomen und ihre Stabilität zurückführen.

Eigenschaften von Salzen verstehen. Ich kann die Eigenschaften von Salzen mit ihrem Aufbau inBeziehung setzen. Unterschiedliche Eigenschaften von binären undnicht-binären Salzen kann ich aus dem unterschiedlichen Aufbauableiten.

Schmelz- und Siedepunkte abschätzen. Ich kann das Coulomb-Gesetz anwenden, um die Stärke derionischen Bindung im Salz abzuschätzen und kann mit Hilfe derKenntnis des Aufbaus des Salzes ableiten, wie hoch Schmelz- undSiedepunkte sein könnten oder ob es bei starker Erwärmung zueiner Zersetzung kommen könnte.

Salze und flüchtige Stoffe abgrenzen. Ich kann in Worten fundiert argumentieren, weshalb es sich beiSalzen und flüchtigen Stoffen um zwei grundlegendunterschiedlich aufgebaute Stoffarten handelt.

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6.8 Literaturverzeichnis

[1] Seite „Elektroskop (Funktionsweise)“ (Abgerufen: 22. August 2012, 20:35 UTC).http://grund-wissen.de/physik/elektrizitaet-magnetismus/ladung.html

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