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Textaufgaben: Ionenladungen aus dem PSE

Zwei Aufgaben, in denen das Periodensystem die Ladungen verrät — und eine, in der es an seine Grenzen kommt.

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Salze im Chemikalienschrank

AFB I–II

Im Chemikalienschrank der Schule stehen vier Salze: Lithiumfluorid, Magnesiumoxid, Calciumchlorid (wird als Streusalz verwendet) und Natriumsulfid. Jedes Salz besteht aus den Ionen eines Metalls und eines Nichtmetalls.

Ausschnitt aus dem Periodensystem (Hauptgruppen, Perioden 2–4)
I II III IV V VI VII VIII 2 Li Be B C N O F Ne 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Ga Ge As Se Br Kr
Hervorgehoben sind die Elemente, die in den vier Salzen vorkommen. Die Zahlen links geben die Periode an.
  1. Gib für die acht hervorgehobenen Elemente jeweils die Hauptgruppe an.
  2. Ermittle für jedes der vier Salze die Ladungen seiner beiden Ionensorten und notiere die Ionen in Formelschreibweise.
  3. Begründe, warum Magnesium und Calcium Ionen mit gleicher Ladung bilden, obwohl ihre Atome unterschiedlich viele Elektronen besitzen.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Die Hauptgruppe steht als römische Zahl über der Spalte.
Hinweis zu Aufgabe b)
Metall: Ladung = Gruppennummer (positiv). Nichtmetall: Ladung = −(8 − Gruppennummer). Nichtmetall-Ionen enden auf „-id“.
Hinweis zu Aufgabe c)
Welche Elektronen sind für die Ionenbildung entscheidend — alle oder nur bestimmte?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Gruppe I: Li, Na · Gruppe II: Mg, Ca · Gruppe VI: O, S · Gruppe VII: F, Cl.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Lithiumfluorid: \(\mathrm{Li^+}\) und \(\mathrm{F^-}\) · Magnesiumoxid: \(\mathrm{Mg^{2+}}\) und \(\mathrm{O^{2-}}\) · Calciumchlorid: \(\mathrm{Ca^{2+}}\) und \(\mathrm{Cl^-}\) · Natriumsulfid: \(\mathrm{Na^+}\) und \(\mathrm{S^{2-}}\).

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Für die Ionenbildung zählen nur die Valenzelektronen. Magnesium (12 Elektronen, 2 · 8 · 2) und Calcium (20 Elektronen, 2 · 8 · 8 · 2) stehen beide in der II. Hauptgruppe und haben je zwei Valenzelektronen. Beide geben diese zwei ab und erreichen so Edelgaskonfiguration (Neon bzw. Argon) — deshalb entstehen \(\mathrm{Mg^{2+}}\) und \(\mathrm{Ca^{2+}}\) mit gleicher Ladung.

2

Das Rätsel der Ionisierungsenergien

AFB II–III

Ein Element X aus der 4. Periode wird im Labor untersucht. Gemessen wird, wie viel Energie man braucht, um seinen Atomen nacheinander Elektronen zu entreißen (vgl. Kapitel 2, Ionisierungsenergien).

Ionisierungsenergien des Elements X (Energie, um nacheinander ein Elektron abzutrennen)
abgetrenntes Elektron1.2.3.4.
Energie in kJ/mol590114549126491
  1. Werte die Messwerte aus und gib an, wie viele Valenzelektronen ein Atom von X besitzt.
  2. Leite aus deinem Ergebnis die Ladung des Ions von X her und bestimme, um welches Element es sich handelt.
  3. Nimm Stellung zur Aussage einer Mitschülerin: „Eisen bildet \(\mathrm{Fe^{2+}}\)- und \(\mathrm{Fe^{3+}}\)-Ionen. Die Regel, dass man die Ionenladung aus dem Periodensystem ablesen kann, ist also falsch.“

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Suche den großen Sprung zwischen zwei benachbarten Werten. Wo springt die Energie um ein Vielfaches?
Hinweis zu Aufgabe b)
Nach dem Sprung müsste man ein Elektron aus einer inneren, vollen Schale entfernen. Wie viele Elektronen gibt X also ab?
Hinweis zu Aufgabe c)
Für welche Elemente gilt die Regel überhaupt? Wo steht Eisen im Periodensystem?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Von der 1. zur 2. Ionisierungsenergie steigt der Wert nur auf etwa das Doppelte (590 → 1145 kJ/mol), von der 2. zur 3. dagegen auf mehr als das Vierfache (1145 → 4912 kJ/mol). Das dritte Elektron stammt also aus einer inneren, voll besetzten Schale. X besitzt zwei Valenzelektronen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Zwei Valenzelektronen → II. Hauptgruppe. X gibt beide Elektronen leicht ab, das dritte nicht mehr: Es entsteht ein zweifach positiv geladenes Ion \(\mathrm{X^{2+}}\). Das Element der II. Hauptgruppe in der 4. Periode ist Calcium; das Ion ist \(\mathrm{Ca^{2+}}\) mit der Elektronenhülle von Argon.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Aussage verallgemeinert zu stark. Die Regel gilt für die Hauptgruppenelemente, weil sich dort die Ladung aus den Valenzelektronen und der Edelgasregel ergibt. Eisen ist ein Nebengruppenelement; bei ihm ist die Edelgasregel nicht erfüllbar, und es bildet mehrere Ionen. Für Eisen kann man die Ladung also nicht ablesen — deshalb nennt man sie im Namen (Eisen(II)-, Eisen(III)-). Die Regel ist nicht falsch, sondern hat einen begrenzten Gültigkeitsbereich.