Chemie für Quereinsteiger/ Die Grundbausteine/ Atome und Ionen

1.1 Atome und Ionen

Wir sind ständig von einer riesigen Anzahl unterschiedlicher Substanzen umgeben. Metalle wie Eisen, Kupfer, Zink, Chrom, Silber oder Gold sind uns gut bekannt, wir begegnen Steinen aller Art in der Natur und in unserem häuslichen Bereich: Es seien Gips und Marmor, Edelsteine wie Saphir und Diamant genannt. Mit Kohle und Öl wird geheizt, Luft und Wasser sind für uns lebensnotwendig, unsere Speisen bereiten wir mit Zucker und Salz: Substanzen über Substanzen, der Chemiker nennt sie auch "Stoffe".

Alle Substanzen sind nun aus unzählig vielen kleinsten Teilchen zusammengesetzt, die man sich als kugelige Bausteine vorstellt. Sie sind so klein, daß wir sie einzeln mit unseren Sinnesorganen nicht wahrnehmen können. Allerdings lassen viele Eigenschaften und Umwandlungen der Substanzen, die wir später noch kennenlernen werden, auf diese Teilchen schließen. Untersucht man viele Substanzen experimentell bezüglich ihrer Bausteine, dann erhält man zwei, in ihren Qualitäten unterschiedliche Arten kleinster Teilchen. Sie unterscheiden sich in der Weise, dass sie auf "Kraftsender" verschieden reagieren.

Machen wir uns diese Sachlage zunächst an ähnlichen Beispielen klar: Jeder kennt einen Magneten und seine Eigenschaft. Nähert man dem Magneten ein Stück Eisen, dann macht sich eine Kraft bemerkbar, die das Eisen in seine Richtung anzieht. Die Metalle Kobalt und Nickel verhalten sich ebenso wie Eisen. Andere Metalle wie Aluminium, Kupfer oder Blei, andere Stoffe wie Holz oder Kochsalz reagieren auf das geheimnisvolle Anziehungsangebot des Magneten nicht. Offensichtlich hat der Magnet die Fähigkeit, auf eine besondere Eigenschaft des Eisens, Kobalts und Nickels zu antworten. Zu einer Kraftfernwirkung, etwa zu der eines Magneten, gehören demnach zwei Dinge: Zum einen muß ein "Kraftsender" mit der Fähigkeit der Kraftwirkung gegeben sein, zum anderen muß das Material, auf das die Kraft wirken soll, die Eigenschaft des Wahrnehmens dieser Fähigkeit besitzen. Den räumlichen Bereich, in dem eine Kraftwirkung spürbar ist, bezeichnet der Physiker als "Feld". Ein Magnet besitzt um sich herum ein Magnetfeld.

Völlig analog verhält es sich bei der Massenanziehung. Die sehr große Masse der Erde sendet spürbar Kraftfernwirkungen aus und andere Materie besitzt die Eigenschaft des Wahrnehmens. Wir spüren die sich ergebenden Kraftwirkungen als Schwerkraft an allen materiellen Dingen: alle Gegenstände fallen nach unten in Richtung der Erde. Der Physiker bezeichnet den Raum um die Erde, in dem die Materiekraftwirkungen spürbar werden, als Schwerefeld, als Gravitationsfeld. Schwerkraft und Materie gehören also zusammen wie Magnetkraft und Eisen.

Feld	zugehörige Eigenschaft	Kraftqualität
magnetisches Feld	Magnetismus	magnetische Kraft
Gravitationsfeld	Masse	Schwerkraft
elektrisches Feld	Ladung	elektrische Kraft

Tab. 1.1: Verschiedene Kraftfelder, Eigenschaften und Kraftwirkungen

Eine dritte, nahezu alltägliche Erscheinung stellt das elektrische Kraftfeld dar: Beim Kämmen frisch gewaschener, trockener Haare beobachtet man bläuliche Funken, beim Gehen auf einem Kunststoffboden lädt man sich elektrisch auf, Plastikfolien und Papier "kleben" aneinander. Eine mit Papier geriebene Plastikfolie besitzt demnach die Fähigkeit der Kraftwirkung, ein elektrisches Feld. Dieses wirkt auf ein in die Nähe gebrachtes Papier und zieht das Papier stark an. Das Papier muß eine besondere Eigenschaft aufweisen, um auf das elektrische Feld der Folie "antworten" zu können: Diese Eigenschaft wird elektrische Ladung genannt. Die zusammengehörenden Begriffspaare sind in Tabelle 1.1 noch einmal nebeneinander gestellt.

Wenn wir uns nun diese drei verschiedenen Kraftfelder erzeugen und uns vorstellen, jeweils ein kleines Testkügelchen in das Kraftfeld, den Kräftebereich hineinzuhalten, so können wir prüfen, ob das kleine Kügelchen eine der Eigenschaften, die zu den Kraftfeldern gehören, besitzt Wenn die Eigenschaft vorhanden ist, muß eine Kraftwirkung auftreten, wenn keine Wirkung auftritt, besitzt das Kügelchen die Eigenschaft nicht.

Auf diese Art und Weise prüfen wir jetzt die Bausteinsorten unserer Materialien. Das Ergebnis sieht folgendermaßen aus:

Keines der vielen Teilchenarten reagiert primär auf ein Magnetfeld.
Alle Teilchenarten reagieren auf das Schwerefeld, sie besitzen also eine Masse.
Ein großer Teil der Teilchen reagiert im elektrischen Feld, sie besitzen elektrische Ladung.
Andere Teilchen reagieren im elektrischen Feld nicht, sie sind elektrisch ungeladen.

Diese Unterscheidung der Teilchen in bezug auf ihre Kraftqualität ist sehr wesentlich. Deshalb sind die Teilchenarten mit verschiedenen Qualitäten auch unterschiedlich benannt worden.

Die ungeladenen Grundbausteine nennt man Atome. Die Grundbausteine mit der Eigenschaft "elektrische Ladung" nennt man Ionen. Die Atome besitzen selbstverständlich Kraftwirkungen untereinander, Ionen üben ebenfalls Kraftwirkungen aufeinander aus, aber nicht im gleichen Sinn. Dazu näheres an späterer Stelle (3.1.).

Das experimentelle Ergebnis der Physiker wollen wir mit einem Gedankenexperiment erläutern. Wir greifen ein beliebiges Ion als "Test-Ion" heraus und fixieren es an einer Stelle. Nun nehmen wir von unseren Substanzen ein Ion nach dem anderen und bringen es langsam in die Nähe des Test-Ions und beobachten die elektrische Kraftwirkung zwischen beiden. Ein Teil der Ionen wird vom Test-Ion stark angezogen, ein anderer Teil stark abgestoßen.

Diese unterschiedlichen Eigenschaften der Ionen kennzeichnet man mit dem Plus-Zeichen "+" oder mit dem Minus-Zeichen "-". Alle Ionen, die sich untereinander abstoßen und positiv gekennzeichnet sind, werden als Kationen bezeichnet, diejenigen, die sich abstoßen und negativ gekennzeichnet sind, als Anionen. Anionen und Kationen sind demnach diejenigen Ionen, die sich gegenseitig anziehen.

Bei der Untersuchung der Substanzen sind nun sehr viele Bausteinsorten gefunden worden. Es gibt z. B. Eisen-Atome, Kupfer-Atome, Chlor-Atome, Schwefel-Atome und viele andere mehr. Gleichzeitig sind aber auch Eisen-Ionen, Kupfer-Ionen, Chlor-Ionen und Schwefel-Ionen gefunden worden. Es mag zunächst eigenartig erscheinen, daß die Chemiker Atome und Ionen gleich benannt haben, z. B. Eisen-Atom und Eisen-Ion. Das hat seinen Grund darin, daß zugehörige Atome und Ionen relativ leicht ineinander umgewandelt werden können und insofern der gleichen Teilchenfamilie zugeordnet sind. Das darf aber nicht über die Tatsache hinwegtäuschen, daß ein Ion ganz andere Eigenschaften besitzt als sein direkt verwandtes Atom, daß also ein Chlor-Atom völlig andere Eigenschaften zeigt als ein Chlor-Ion.

Vielleicht können wir uns das an folgendem Beispiel verdeutlichen: Ein Personenwagen, etwa ein BMW, hat eine ganz bestimmte Fahreigenschaft. Wenn wir ein Rad abmontieren, dann ändert sich die Fahreigenschaft völlig! Jeder wird aber das Fahrzeug noch sofort als BMW erkennen. Der BMW-Charakter hat sich nicht geändert, dagegen sind die Fahreigenschaften vollkommen anders. Bis zu welchem Punkt man also eine Sache abwandeln kann und sie noch als dieselbe bezeichnet, ist eine alte philosophische Frage. Sie wird uns noch häufig beim Beschreiben unserer Substanzen begegnen.

Es bleibt jedenfalls festzustellen, daß die Eigenschaften von Atomen und zugehörigen Ionen getrennt voneinander genau beobachtet und ermittelt werden müssen. Man kann von den Eigenschaften eines Atoms nicht auf die Eigenschaften des zugehörigen Ions schließen und umgekehrt.

Unter natürlichen Bedingungen sind im allgemeinen die Ionen stabiler als die zugehörigen Atome. Deshalb finden wir auch in der Natur meistens die Ionen vor und nicht die Atome. Von 97 stabilen Grundbausteinsorten findet man nur 17 als Atome (Edelmetalle, Edelgase!), alle anderen 80 Grundbausteinsorten kommen als Ionen vor. Eine Grundbausteinsorte, also Atom und zugehöriges Ion, wird im allgemeinen als Element bezeichnet. Die vielen Millionen natürlicher und künstlich hergestellter Substanzen unserer Welt sind aus diesen wenigen Elementen aufgebaut!