Techniklexikon

Ion

elektrisch geladenes Teilchen atomarer oder molekularer Grössenordnung, das aus einem neutralen Atom oder Molekül durch Hinzufügen (negatives Ion, Anion) oder Entfernen (positives Ion, Kation) von einem oder mehreren Elektronen entsteht. Ionen, die nur aus Atomen eines chemischen Elements entstanden sind, heissen Elementarionen. Unter wasserstoffähnlichen Ionen versteht man solche, die wie das Wasserstoffatom aus dem Atomkern und einem einzelnen Elektron bestehen, z.B. He⁺, Li²⁺, Be³⁺ usw. Die Anzahl der über- oder unterzähligen Elementarladungen (Wertigkeit) und das Ladungsvorzeichen werden durch hochgestellte Zahlen neben einem Plus- bzw. Minuszeichen rechts vom Atom- oder Molekülsymbol angegeben, z.B. Na⁺, Cl^-, Fe³⁺, SO₄^2-. Vielfach, z.B. bei den Metallen, können mehrere Wertigkeitsstufen auftreten; bei Polyelektrolyten wird dieser Begriff unscharf.

Ionen entstehen entweder durch Ionisation oder Dissoziation. Sie können in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern gebildet werden. Die Bindungsenergie der Elektronen an neutrale Atome oder Moleküle, die Elektronenaffinität, ist für die Mehrheit der Atome Null oder sehr klein und hat nur für die Atome der sechsten und siebten Hauptgruppe des Periodensystems Werte von 2-4 eV. Deshalb spielen negative Ionen im allgemeinen im Gasraum eine viel geringere Rolle als positive.

Freie Ionen im Sinne völlig selbständiger Einzelteilchen existieren praktisch nur in der Gasphase, in kondensierten Systemen treten stets zu den weitreichenden Coulombkräften weitere Wechselwirkungen mit benachbarten Atomen oder Atomgruppen hinzu. So kommt es unter anderem zur Ausbildung von homöopolaren Bindungsanteilen (chemische Bindung) in festen oder zur Ionenpaarbildung in geschmolzenen Ionenkristallen und zur Solvatation bzw. Hydratation in Lösungen, die Ionen enthalten, was bis zur Bildung stabiler Koordinationskomplexe zwischen Ionen und Lösungsmittelmolekülen führen kann. Während die Bildung freier gasförmiger Ionen in energetischer Hinsicht durch die für die Vorgänge A⁺ + e^-  A bzw. B + e^-  B^- charakteristische Elektronenanlagerungsenergie (Elektronenaffinität) des betreffenden molekularen Gebildes geregelt wird, ist für die Auftrennung eines Festkörpers, z.B. eines Ionenkristalls, in einzelne hydratisierte Ionen die Solvatationsenergie von ausschlaggebender Bedeutung. Die Solvatation kann dazu führen, dass in der Umgebung des Ions der Ordnungsgrad des Lösungsmittels und damit die Entropie zunimmt. Das ist vor allem bei stark hydratisierten Ionen durch die weitgehende Ausrichtung der Wasserdipole auf das Ion hin der Fall. Solche Ionen heissen strukturbildende Ionen. Bei schwacher Solvatation bzw. auch bei Anionen kann jedoch in der Umgebung eines Ions auch eine Erhöhung der Fluidität, d.h. eine Auflockerung der Struktur des Lösungsmittels, stattfinden. Man spricht dann von strukturbrechenden Ionen.

Systeme, in denen der Transport elektrischer Ladung überwiegend durch Ionen erfolgt (Ionengitter mit Ionen sehr unterschiedlicher Grösse, geschmolzene lonenkristalle, Elektrolytlösungen, Festelektrolyte) heissen Ionenleiter. Die auf die Feldstärke bezogene Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen heisst Ionenbeweglichkeit (siehe Tab.). Sie wird hauptsächlich durch die Ladung der Ionen bestimmt. Die Solvathülle hochgeladener Ionen in Elektrolytlösungen (Elektrolyse) unterscheidet sich im Volumen nur wenig von der eines grösseren, aber schwächer geladenen Ions. Daher erfolgt eine Nivellierung der Beweglichkeiten auf den Bereich von 3-5 × l0^-4 cm² / Vs, der auch die hochmolekularen, gegebenenfalls hochionisierten Polyelektrolyte mit umfasst. Deshalb bedarf es zur Trennung von Ionen auf Grund ihrer Beweglichkeitsunterschiede eines besonderen apparativen Aufwandes (Elektrophorese).

In der Geophysik bezeichnet man die Anlagerung eines Elektrons (Bildung eines negativen Ions) als Attachment, seine Abspaltung (Bildung eines positiven Ions) als Detachment. Die Neutralisierung eines negativen Ions kann auch durch Rekombination mit einem positiven Ion erfolgen. In der Atmosphäre kommen freie negative Ionen z.B. in der Ionosphäre vor.

Ion: Ionenbeweglichkeiten in cm² s^-1 V^-1 für Wasser und Gase (Normalbedingungen).

bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> in Wasser	bottom:solid black 1.0pt;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> (18 °C)	bottom:solid black 1.0pt;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> in Gasen	bottom-alt: solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'>  (0 °C, 101 325 Pa
H+	0,0033	He+	11
Na+	0,00046	He++	20
OH-	0,0018	O2+	2,2
NO3-	0,000 65	N2+	2,5
bottom:solid black 1.0pt;border-right:none;mso-border-left-alt:solid black .75pt; mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Cl-	bottom:solid black 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 0,000 68	bottom:solid black 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Ne+	bottom:solid black 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 4,3