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Kationen

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Kationen

Ladungen spielen in der Chemie eine große Rolle. Denn sie ermöglichen Wechselwirkungen und Bindungen, die für das Ausbilden komplexere Moleküle unerlässlich sind. Demzufolge kommen den Ladungsträgern, den Ionen, in der Chemie eine besondere Bedeutung zu. Wusstest Du zum Beispiel, dass Deine roten Blutkörperchen nur deshalb Sauerstoff in deinem Körper transportieren können, weil sie ein Eisenkation haben? Denn aufgrund der positiven Ladung des Eisenkations kann das Sauerstoffmolekül erst daran binden und vom Eisenkation an den Zielort im Körper gebracht werden. Doch was genau Kationen sind, wie sie entstehen und welche Eigenschaften sie haben, erfährst Du in diesem Artikel.

Kation - Was sie sind und wie sie entstehen

Grundlage für das Verständnis von Kationen ist der Atomaufbau. Ein Atom setzt sich aus einem Atomkern und einer Atomhülle zusammen. Der Atomkern ist positiv geladen, weil er Protonen, also positiv geladene Teilchen, enthält, während die Atomhülle Elektronen, also negativ geladene Teilchen, enthält. Ein Ion ist ein Atom, dass mehr oder weniger Elektronen als Protonen hat. Ein Kation ist ein Atom, dass weniger Elektronen als Protonen hat und ist somit eine Unterkategorie von Ionen. Das Kation hat einen sogenannten Elektronenmangel. Dadurch erhält das Kation eine positive Ladung. Die Ladung wird als hochgestellte Zahl angegeben, z.B. Fe3+, was bedeutet, dass das Eisenkation dreifach positiv geladen ist. Man spricht auch von einem dreiwertigen Kation bzw. generell von einem n-wertigen Kation bei einer n-fach positiven Ladung.

Ein Kation ist ein Atom, das weniger Elektronen als Protonen hat. Für die Ladung eines Ions generell gilt:

Ladung = Anzahl Protonen - Anzahl Elektronen

Entsprechend hat ein Kation immer eine positive Ladung.

Die positive Ladung hat zur Konsequenz, dass sich Kation und negativ geladene Teilchen, wie Elektronen oder ein Anion, gegenseitig anziehen. Das ist ähnlich zu Magneten, bei denen sich Plus- und Minuspol gegenseitig anziehen. Genauso stoßen sich Kation und andere positiv geladene Teilchen gegenseitig ab, so wie sich Plus- und Pluspol bei einem Magneten abstoßen. Die Stärke dieses Zuges oder dieser Abstoßung hängt davon ab, wie hoch die Ladung beider wechselwirkender Teilchen, und damit auch des Kations, ist. Merke dir, dass es ohne Ladung keine solche Wechselwirkung mit anderen geladenen Teilchen gibt. Wie stark Anziehung und Abstoßung zwischen geladenen Teilchen ist beziehungsweise wovon sie abhängt, wird im sogenannten Coulombschen Gesetz, einer zentralen Gleichung zur Wechselwirkung von Ladungsträgern, festgehalten. Mehr dazu erfährst du Artikel zum Thema Coulombkraft.

Ein Anion ist ein Atom, das mehr Elektronen als Protonen hat.

Doch wie entstehen nun Kationen? Dazu muss ein Element oder ein Anion genug Elektronen abgeben, indem es welche auf andere Atome überträgt. Es muss also eine Elektronenübertragung stattfinden.

Ein Element hat genauso viele Elektronen wie Protonen und ist somit elektrisch neutral.

Die Elektronenabgabe, die von Anion oder Element vollzogen wird, wird auch als Oxidation bezeichnet. Die Elektronenaufnahme des Atoms, das die Elektronen vom oxidierten Atom erhält, wird als Reduktion bezeichnet. Eine Elektronenübertragung zwischen zwei Atomen setzt sich immer aus Oxidation und Reduktion zusammen, denn wenn Elektronen abgegeben werden, müssen diese auch aufgenommen werden und umgekehrt. Entsprechend spricht man bei einer Elektronenübertragung synonym von einer Redoxreaktion.

Durch ausreichende Reduktion von Kationen oder Elementen können Anionen entstehen. Es müssen genug Elektronen sein, die aufgenommen werden, damit mehr Elektronen als Protonen im Atom vorliegen.

Ob eine Elektronenübertragung zwischen zwei Atomen stattfindet, hängt von einigen externen Bedingungen ab, wie der Temperatur und dem sogenannten Standardelektrodenpotential. Das Standardelektrodenpotential ist ein experimentell ermittelter Spannungswert in der Einheit Volt. Dieser gibt an, wie willig das Atom ist, Elektronen abzugeben. Je negativer das Elektrodenpotential, desto höher das Bestreben eines Atoms in Gegenwart eines anderen Atoms Elektronen abzugeben. Das heißt, dass ein Atom mit sehr niedrigem Standardelektrodenpotential relativ einfach zum Kation wird, weil es dann umso mehr mögliche Partner mit höherem Standardelektrodenpotential hat, an die es Elektronen abgeben kann.

Es wird die Redoxreaktion von Natrium (Na) und Chlor (Cl) betrachtet. Es stellt sich die Frage, welches der beiden Elemente Elektronen aufnimmt beziehungsweise abgibt.

Kation Redoxreaktion Natriumkation StudySmarter

Bei der Redoxreaktion vom Element Natrium (Na) mit dem Element Chlor (Cl2) gemäß der obigen Reaktiongleichung gibt jeweils ein Natriumatom ein Elektron ab. Natrium wird also oxidiert. Dadurch, dass Natrium oxidiert wird, hat es nach der Reaktion weniger Elektronen als Protonen und liegt somit als Kation (Na+) vor. Du weißt, dass Natrium in Reaktion mit Chlor Elektronen abgeben wird. Denn das Standardelektrodenpotential von Natrium ist -0.76 V, während das Standardelektrodenpotential von Chlor positiver ist mit 1.36 V. Wie der Name Standardelektrodenpotential jedoch schon verrät, gilt dieser Spannungswert bzw. dieses Elektrodenpotential aber nur unter den chemischen Standardbedingungen, also bei einer Temperatur von 298.15 K, einem Druck von 1,013 bar und, bei gelösten Stoffen, einer Konzentration von 1 . Wie sich das Elektrodenpotential unter anderen Bedingungen ändert, kannst Du mit der Nernst-Gleichung berechnen, über die Du mehr im entsprechenden Artikel erfährst.

Einfache und zusammengesetzte Kationen

Grundsätzlich werden Kationen in einfache und in zusammengesetzte Kationen unterteilt. Einfache Kationen bestehen aus nur einem Atom, während zusammengesetzte Kationen aus mehreren Atomen bestehen. Im Folgenden sind einige Beispiele zu einfachen und zusammengesetzten Kationen unterschiedlicher Wertigkeit in einer Tabelle aufgeführt:

Wertigkeit des Kationseinfache Kationenzusammengesetzte Kationen
einwertig (monovalent)K+, Na+, Li+, H+NH4+, H3O+
zweiwertig (bivalent)Mg2+, Ca2+, Ba2+
dreiwertig (trivalent)Al3+
vierwertig (tetravalent)Pb4+

Metallkationen

Eine für die Elektrochemie wichtige Gruppe von einfachen Kationen sind die Metallkationen, zu denen Kationen der Elemente der ersten, zweiten und dritten Hauptgruppe, sowie einige Elemente aus den Nebengruppenelementen gehören. Im Folgenden sind einige Metalle mit ihrem Elementsymbol angegeben.

Elemente der ersten Hauptgruppe: Natrium (Na), Kalium (K), Lithium (Li)

Elemente der zweiten Hauptgruppe: Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca)

Elemente der dritten Hauptgruppe: Gallium (Ga), Aluminium (Al), Indium (In)

Elemente der Nebengruppen: Eisen (Fe), Silber (Ag), Gold (Ag), Kupfer (Cu)

Bei den Hauptgruppen verrät die Zahl der Hauptgruppe welche Ladung beziehungsweise Wertigkeit die Kationen haben, die aus den jeweiligen Elementen der Hauptgruppe entstehen. Nebengruppenelemente hingegen können verschiedenwertige Kationen haben. Eisen hat zum Beispiel für seine Kationen die am häufigsten vorkommenden Wertigkeiten von 2+ und 3+, Silber hat Wertigkeiten von 1+, 2+ und 3+.

Die Kationen aller Elemente der ersten Hauptgruppe haben die Wertigkeit eins:

Kation einwertige Metallkationen StudySmarter

Die Kationen der Elemente der zweiten Hauptgruppe haben die Wertigkeit zwei:

Kation zweiwertige Metallkationen StudySmarter

Einfache Metallkationen sind für die Elektrochemie von Bedeutung, weil man aus ihnen Metalle gewinnen kann. Metalle sind schließlich für verschiedenste Anwendungen in der Technik und Industrie von Bedeutung. Man findet Metallkationen in der Natur in Verbindungen als Salze oder gelöst vor. Um aus den Kationen die Metalle zu gewinnen, müssen die Kationen Elektronen aufnehmen. Die Elektronenaufnahme heißt auch Reduktion. Das wird mit der Elektrolyse realisiert, einem elektrochemischen Prozess, bei dem man durch Anlegen einer Spannung eine Elektronenübertragung auf Eisenkationen erzwingt und somit die Elemente der Eisenkationen gewinnt. Wichtig ist dir zu merken, dass generell Kationen, nicht nur Metallkationen, Elektronen aufnehmen können, um wieder zum Element zum werden.

Metalle können durch die Reduktion von Metallkationen gewonnen werden.

Bei der Elektrolyse von Chloridanionen und zweiwertigen Kupferionen soll Kupfer gewonnen werden. Um aus zweiwertigen Kupferkationen elementaren Kupfer zu gewinnen, müssen pro Kupferkation zwei Elektronen aufgenommen werden. Entsprechend ergeben sich folgende Elektronenabgabe (Oxidation) und Elektronenaufnahme bei der Kupfergewinnung durch Elektrolyse:

Kation Kupferkation StudySmarter

Merke Dir, dass es sich erst beim elementaren Kupfer (Cu) um das feste Metall handelt. Kationen generell liegen bei der Elektrolyse als nicht mit dem bloßen Auge erkennbaren Teilchen in Lösungen vor und können somit nicht dieselben technischen Anforderungen erfüllen, wie die dazugehörigen, festen Metallelemente.

Kationen - Das Wichtigste

  • Kationen sind positiv geladene Atome
  • Kationen entstehen durch Elektronenabgabe von Atomen
  • Ein Atom ist ein Kation, wenn es weniger Elektronen als Protonen hat (Elektronenmangel); Wertigkeit/Ladung = Anzahl Protonen - Anzahl Elektronen
  • Es gibt einfache Kationen (bestehend aus einem Atom) und zusammengesetzte Kationen (bestehend aus mehreren Atomen)
  • Kationen stoßen andere positiv geladene Teilchen ab und ziehen negativ geladene Teilchen an
  • Kationen einer Hauptgruppe haben als Wertigkeit die Zahl ihrer Hauptgruppe
  • Kationen können Elektronen aufnehmen, um wieder zum Element zu werden; so werden Metalle aus den Metallkationen zurückgewonnen

Nachweise

  1. Binnewies et al (2016). Allgemeine und Anorganische Chemie. Springer Spektrum.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kationen

Ein Kation ist kein Proton. Wenn man von einem Kation spricht, meint man ein Atom, das weniger Elektronen in der Atomschale hat, als es Protonen im Atomkern hat. Ein Proton hingegen ist ein positiv geladenes Teilchen, das sich im Atomkern befindet. Zwar sind Kation und Proton beide positiv geladen, aber Protonen sind Bestandteil jedes Atomkerns und somit auch jedes Atoms und Kations.

Die Ladung von Kationen, und eigentlich auch von Anionen, berechnet sich, indem man die Anzahl von Elektronen eines Atoms von der Anzahl von Protonen des Atoms subtrahiert: Ladung = Anzahl Protonen - Anzahl Elektronen

Kationen und Anionen sind beides geladene Atome. Ein Atom hat eine Ladung, wenn es weniger oder mehr Elektronen als Protonen hat. Wenn es mehr Elektronen als Protonen hat, hat es eine negative Ladung und ist es somit ein Anion. Wenn es weniger Elektronen als Protonen hat, hat es eine positive Ladung und ist somit ein Kation.

Elemente für sich sind keine Kationen, weil sie genauso viele Elektronen wie Protonen haben und somit elektrisch neutral sind. Elemente können aber zu Kationen werden, indem sie Elektronen an andere Elemente abgeben. Metallelemente bilden Kationen, zu denen etwa Elemente der ersten bis dritten Hauptgruppe, sowie der Elemente der Nebengruppen gehören.

Finales Kationen Quiz

Frage

Was ist ein Kation?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Kation ist ein Atom, das weniger Elektronen als Protonen hat.

Frage anzeigen

Frage

Woher hat das Kation seinen Namen?

Antwort anzeigen

Antwort

Den Namen hat es von der Elektrolyse, wo positiv geladene Ionen zur Kathode, dem Minuspol, hinwandern.

Frage anzeigen

Frage

Wie entstehen Kationen?

Antwort anzeigen

Antwort

Kationen entstehen durch Elektronenabgabe von Atomen. Die Elektronenabgabe wird auch Oxidation genannt.

Frage anzeigen

Frage

Die Gapon-Gleichung ...

Antwort anzeigen

Antwort

... beschreibt den Austausch zwischen verschiedenwertigen Kationen. 

Frage anzeigen

Frage

Wie können Kationen chemisch nachgewiesen werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Um ein Kation chemisch nachzuweisen, werden moderne Laborgeräte aus der instrumentellen Analytik oder einfache Kationennachweise im Reagenzglas eingesetzt.

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein anderes Wort für die Bezeichnung "einwertig"?

Antwort anzeigen

Antwort

monovalent

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein anderes Wort für die Bezeichnung "zweiwertig"?

Antwort anzeigen

Antwort

divalent

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein anderes Wort für die Bezeichnung "dreiwertig"?

Antwort anzeigen

Antwort

trivalent

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein anderes Wort für die Bezeichnung "vierwertig"?

Antwort anzeigen

Antwort

tetravalent

Frage anzeigen

Frage

Die Ladung von Metall-Ionen wird von ihrer Elektronenkonfiguration, der Verteilung ihrer Elektronen in der äußersten Schale, ableitet. Ein Atom gibt Elektronen ab, weil es die Edelgaskonfiguration anstrebt.

Antwort anzeigen

Antwort

Richtig

Frage anzeigen

Frage

Ein Kation möchte wie ein 1) ... werden und eine volle Valenzschale haben. Wie viele Elektronen abgegeben werden, hängt von der Anzahl der 2) ... ab, die du im 3) ... für die Hauptgruppenelemente an ihrer Hauptgruppennummer ablesen kannst.

Antwort anzeigen

Antwort

1) Edelgas 

2) Außenelektronen 

3) Periodensystem 

Frage anzeigen
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