Kationen
Ein Kation ist ein elektrisch geladenes Atom (Ion) mit positiver Ladung. Beispiele für Kationen sind das Natrium-Ion (Na+) oder das Kupfer-Ion (Cu+). Beide sind einwertig positiv geladen. Zwei Beispiele für mehrfach geladene Kationen sind das Magnesium-Ion (Mg2+) oder das Aluminium-Ion (Al3+). Das Gegenstück zu Kationen sind Anionen mit negativer Ladung.
Inhalt
Warum heißen Kationen so
Kation ist eine Verknüpfung zweier Begriffe: „Ion“ und „Kathode“. Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Atom. Die Ladung ist erst einmal egal. Denn ein Ion kann sowohl positiv als auch negativ geladen sein. Aber das Kation ist immer ein positiv geladenes Ion, also ein spezielles Ion.
Eine Kathode ist wiederum ein negativ geladener Pol. Die positiv geladenen Kationen wandern zur negativ geladene Kathode. Denn gegensätzliche Ladungen ziehen sich an. Und deshalb wird ein positiv geladenes Ion als Kation bezeichnet.
Wie entstehen Kationen
Nehmen wir als Beispiel für die Entstehung eines Kations das Element Kupfer. Dieses hat im Periodensystem die Ordnungszahl 29. Demnach befinden sich 29 Protonen im Atomkern und 29 Elektronen in der Atomhülle.
Wichtig bei der Entstehung von Kationen bzw. Ionen ist die Besetzung der Außenschale in der Atomhülle. Jede Atom- oder Elektronenhülle hat eine bestimmte Anzahl solcher Schalen, in denen die Elektronen um den Kern kreisen.
Beim Kupfer existieren 4 Schalen. Von innen nach außen werden diese mit Elektronen besetzt:
- K-Schale: 2 Elektronen (voll besetzt)
- L-Schale: 8 Elektronen (voll besetzt)
- M-Schale: 18 Elektronen (voll besetzt)
- N-Schale: 1 Elektron (unvollständig besetzt)
In die N-Schale passen 32 Elektronen. Aber das Kupferatom hat in den Schalen K bis M bereits 27 seiner 28 Elektronen verteilt. Demnach bleibt für die N-Schale nur noch ein Elektron über. Somit ist diese Schale unvollständig besetzt.
Um seine Außenschale voll zu machen und somit stabil zu sein, müsste das Kupferatom nun 31 Elektronen aufnehmen oder 1 Elektron abgeben. Es ist effizienter, das eine Elektron abzugeben anstelle von 31 aufzunehmen. Also tut es das Kupferatom auch.
Sobald das Kupferatom ein Elektron abgegeben hat, existieren weiterhin 29 Protonen im Atomkern aber nur noch 28 Elektronen in der Atomhülle. Der Überschuss der positiv geladenen Protonen im Kern führt dazu, dass das ganze Kupferatom nun eine positive Ladung hat. Es ist nun ein Kupferion, speziell ein Kation.
Da der Überschuss an positiven Ladungen 1 (29 Protonen – 28 Elektronen) beträgt, wird dies so geschrieben: Cu1+. Da man bei einer 1 die Zahl weglassen kann, schreibt man Cu+.
Spielt man das ganze mit Magnesium durch (Ordnungszahl 12), ergibt sich folgende Schalenbesetzung:
- K-Schale: 2 Elektronen
- L-Schale: 8 Elektronen
- M-Schale: 2 Elektronen (unvollständig)
In die M-Schale passen 18 Elektronen. Doch anstelle, dass das Magnesiumatom 16 Elektronen aufnimmt – um diese Schale zu füllen, gibt es lieber zwei ab. Demnach hat die Schale nur noch 16 Elektronen. Der Überschuss an positiven Ladungen beträgt dann 2 (18 Protonen – 16 Elektronen). Das Magnesiumatom wird aufgrund der Ladung zum Ion, speziell zum Kation (positiv geladen). Man schreibt dann den Überschuss ans Elementsymbol Mg2+
Woraus ergibt sich die Ladungszahl eines Kations
Die Ladungszahl ist vom chemischen Element abhängig. Das Natriumatom wird immer die gleiche Ladung haben, da sich die Protonen- und Elektronenzahl nicht ändert. Die Anzahl der Protonen und Elektronen entspricht der Ordnungszahl im Periodensystem.
Wie unterteilt man die Kationen
Man unterteilt Kationen aufgrund ihrer Ladungsanzahl in:
- einwertig bzw. monovalent: Na+, K+
- zweiwertig bzw. divalent: Mg2+, Ca2+
- dreiwertig bzw. trivalent: Al3+, Fe3+
- vierwertig bzw. tetravalent: Pb4+