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Kationen

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Kationen

Vielleicht weißt Du bereits aus der Biologie, dass Blut die sogenannten roten Blutkörperchen enthält, deren Funktion es ist lebensnotwendigen Sauerstoff (O2) in Deine Organe zu transportieren. Doch wie gelingt es den roten Blutkörperchen Sauerstoff zu binden? Was steckt chemisch dahinter?

Kationen - Was sie sind

Um zu verstehen, wieso Blutkörperchen Sauerstoffmoleküle transportieren können, musst Du wissen, was ein sogenanntes Kation ist. 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.

Der Atomkern enthält auch sogenannte Neutronen, die nicht zur Ladung eines Atoms beitragen, aber für die Masse eines Atoms wesentlich sind. Mehr dazu erfährst Du im Artikel zum Thema Isotop.

Wenn ein Atom gleich viele Protonen wie Elektronen besitzt, sind die positive Ladung im Atomkern und die negative Ladung in der Atomhülle gleich stark und gleichen sich aus. Man sagt, dass das Atom elektrisch neutral ist und spricht von einem Element beziehungsweise vom elementaren Zustand. Wenn ein Atom hingegen mehr oder weniger Elektronen als Protonen hat, überwiegt entweder die positive oder die negative Ladung und man spricht dann von einem Ion.

Da Ionen je nach Überzahl von Elektronen oder Protonen eine positive beziehungsweise negative Ladung haben, unterscheidet man bei Ionen weiter zwischen Anionen und Kationen. Kationen sind positiv geladene Ionen, also Atome, die weniger Elektronen als Protonen besitzen. 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 beziehungsweise 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.

Die eingangs gestellte Frage, wie rote Blutkörperchen Sauerstoff transportieren, lässt sich nun damit erklären, dass sie ein zweifach positives Eisenkation besitzen (Fe2+). Denn das Sauerstoffmolekül besitzt freie Elektronenpaare und Elektronen sind negativ geladen. Aufgrund der gegensätzlichen Ladungen wird das Sauerstoffatom vom Eisenkation des Blutkörperchens angezogen und dadurch durch den Körper quasi mitgeschleppt.

Kationen - Wie sie entstehen

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. Mit "genug" ist gemeint, dass so viele Elektronen aus der Atomhülle durch Übertragung auf andere Atome entfernt werden müssen, bis das Atom weniger Elektronen als Protonen hat.

Eine Elektronenübertragung setzt sich immer aus Elektronenabgabe und Elektronenaufnahme zusammen. Das heißt, dass es immer zwei Atome braucht, um eine Elektronenübertragung zu vollziehen und zwar eins, das Elektronen abgibt und ein anderes Atom, das diese abgegebenen Elektronen aufnimmt.

Wenn ein Atom Elektronen abgibt, spricht man auch von einer Oxidation. Wenn ein Atom Elektronen aufnimmt, spricht man von einer Reduktion. Du kannst auch sagen, dass ein Atom entsprechend oxidiert beziehungsweise reduziert wurde. Da sich die Elektronenübertragung zwischen zwei Atomen immer aus Oxidation und Reduktion zusammensetzt, bezeichnet man sie synonym auch als Redoxreaktion.

Im Gegensatz zu Kationen, die durch ausreichende Oxidation von Anionen oder Elementen entstehen, entstehen Anionen durch ausreichende Reduktion von Kationen oder Elementen. Sprich, sie müssen genug Elektronen aufnehmen, bis sie mehr Elektronen als Protonen haben.

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 ist, 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.

Die Redoxreaktion von Natrium (Na) und Chlor (Cl) wird 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 beziehungsweise 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+

Es gibt auch mehrwertige, zusammengesetzte Kationen. Die Moleküle sind jedoch viel größer und die Summenformeln entsprechend länger, als dass sie einfach einzuprägen sind und häufig vorkommen. Farbstoffe und Kunststoffe, die praktisch unendlich große Molekülketten bilden können, können etwa eine beliebig hohe Wertigkeit erreichen, wenn sie entsprechend viele NH3-Gruppen tragen, die im sauren Milieu zur einfach positiv geladenen NH4+-Gruppe protoniert werden. Um diesen Zusammenhang zu verstehen, kannst Du dir den Artikel zum Thema Brönsted Säure-Base-Theorie anschauen.

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 (Be2+), Magnesium (Mg2+), Calcium (Ca2+)

Elemente der dritten Hauptgruppe: Gallium (Ga3+), Aluminium (Al3+), Indium (In3+)

Elemente der Nebengruppen: Eisen (Fe2+,Fe3+), Silber (Ag+,Ag2+,Ag3+), Kupfer (Cu+,Cu2+,Cu3+)

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 Kationen verschiedener Wertigkeit haben. Eisen hat zum Beispiel für seine Kationen die Wertigkeiten von 2+ und 3+, Silber hat Wertigkeiten von 1+, 2+ und 3+.

Wieso geben Elemente überhaupt ihre Elektronen ab? Wieso geben manche Elemente 1 Elektron, andere 2 Elektronen und wieder andere 3 Elektronen ab? Ein Atom hat im elementaren Zustand gleich viele Protonen und Elektronen. Abhängig davon wie viele Elektronen es hat, ergibt sich ein für diese Elektronenanzahl spezifisches Verteilungsmuster in sogenannten Atomschalen. Man zählt die Schalen von innen mit der 1 beginnend nach außen und jede Schale kann ihrer Zahl n entsprechend 2n2 Elektronen beinhalten. Dabei wird immer erst die innere Schale mit Elektronen gefüllt, ehe die nächste Schale Elektronen beinhalten kann.

Das Element Magnesium besitzt im elementaren Zustand 12 Elektronen. Wie verteilen sich diese auf die Atomschalen? Die erste Atomschale (n = 1) kann 2 × 12 = 2 Elektronen von den 12 Elektronen aufnehmen und es bleiben 10 übrig. Die zweite Atomschale kann 8 Elektronen aufnehmen und von den 10 übrigen Elektronen bleiben 2 Elektronen übrig. Die dritte Atomschale kann zwar theoretisch 18 Elektronen aufnehmen, aber es sind nur noch 2 Elektronen übrig, die dann die dritte Atomschale besetzen.

Die Reaktivität eines Atoms hängt von der Anzahl der Elektronen in der äußersten, mit Elektronen besetzten Schale ab, auch Außenschale genannt. Je reaktiver ein Atom ist, desto leichter geht dieser Reaktionen mit anderen Atomen ein. Nun ist es so, dass Atome immer den Zustand mit der niedrigsten Reaktivität anstreben. Dieser ist erreicht, wenn sich in der Außenschale 8 Elektronen befinden. Man spricht dann vom Oktettzustand. Um diesen Zustand zu erreichen geben Metalle Elektronen ab.

In Bezug zum obigen Beispiel gibt Magnesium deshalb für gewöhnlich 2 Elektronen ab und wird zum zweiwertigen Kation. Denn dann würde Magnesium in der nächst inneren Schale als neue Außenschale 8 Außenelektronen haben. Nebengruppenelemente können verschieden viele Elektronen abgeben. Silber zum Beispiel 1 bis 3 Elektronen. Das liegt daran, dass Nebengruppenelemente mehrere Zustände haben können, die energetisch in etwa gleich günstig sind. Wieso das so ist, erfährst Du im Artikel zum Thema Elektronenkonfiguration.

Metallkationen haben für die chemische Industrie eine große 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. Das wird mit der Elektrolyse realisiert, einem elektrochemischen Prozess, bei dem man durch Anlegen einer Spannung eine Elektronenübertragung auf zum Beispiel Eisenkationen erzwingt und somit die Elemente der Eisenkationen gewinnt. Wichtig ist dir zu merken, dass generell Kationen, nicht nur Metallkationen, Elektronen aufnehmen können, wobei im Fall der einfachen Kationen Elemente entstehen.

Metalle können durch die Reduktion von Metallkationen gewonnen werden.

Bei einer Elektrolyse soll aus einer Kupfer(II)-chlorid-Lösung Kupfer gewonnen werden. Um aus zweiwertigen Kupferkationen elementaren Kupfer zu gewinnen, müssen pro Kupferkation zwei Elektronen aufgenommen werden. Entsprechend ergeben sich folgende Elektronenabgabe und Elektronenaufnahme bei der Kupfergewinnung durch Elektrolyse:

Kation Kupferkation StudySmarter

Die Kationenaustauschkapazität

Kationen spielen in der Landwirtschaft eine bedeutende Rolle. Sie stellen wichtige Nährstoffe für Pflanzen dar und müssen von diesen über den Boden aufgenommen werden. Das heißt, dass der Boden Kationen speichert, die dann Pflanzen bei Bedarf zur Verfügung stehen. Einige Böden können mehr Kationen binden, als andere. Man sagt dann, dass ihre Kationenaustauschkapazität größer ist.

Die Kationenaustauschkapazität ist ein Zahlenwert in der Einheit . Er gibt für Böden an, wie viele Kationen pro Kilogramm dieses Bodens gebunden werden können.

Doch wie schaffen es Böden Kationen zu speichern beziehungsweise festzuhalten? Böden beinhalten feste, anorganische Bestandteile, die negativ geladen sind. Diese Bestandteile bewirken dann einen elektrostatischen Zug auf Kationen im Boden und können sie so speichern.

Je mehr negative Ladungen ein Boden hat, desto höher ist seine Kationenaustauschkapazität.

pH-Wert-Abhängigkeit der Kationenaustauschkapazität

Der pH-Wert ist eine Zahl, die angibt, wie hoch die Konzentration an H+-Ionen in Lösungen oder auch in Böden ist. Je niedriger der pH-Wert, desto höher die Konzentration an H+-Ionen im Boden. Da diese Ionen eine positive Ladung tragen, können sie, wie andere Kationen, auch an die negativ geladenen Bestandteile eines Bodens binden. Je niedriger der pH-Wert, desto mehr H+-Ionen werden dann im Boden gespeichert.

Das ist problematisch, weil H+-Ionen keine Nährstoffkationen sind. Sie werden also von der Pflanze nicht für ihre Ernährung gebraucht, wie etwa Mg2+-Ionen, Ca2+-Ionen und K+-Ionen. Die H+-Ionen nehmen aber den Nährstoffkationen ihre Plätze im Boden weg, indem sie an die negativ geladenen Bodenbestandteile binden. Aus diesem Grund können bei mehr gebundenen H+-Ionen immer weniger Nährstoffkationen im Boden gespeichert werden.

Bei niedrigen pH-Werten nutzt man dann die sogenannte effektiven Kationenaustauschkapazität, die berücksichtigt, dass die Kationenaustauschkapazität wegen der bindenden H3O+-Ionen geringer ist, als wenn der pH-Wert neutral oder basisch wäre. Bei pH-Werten ab 7,5 liegt keine deutliche Verminderung der Kationenaustauschkapazität aufgrund der H+-Ionen vor und man spricht von der potentiellen Kationenaustauschkapazität.

Die effektive Kationenaustauschkapazität ist immer geringer als die potentielle Kationenaustauschkapazität, weil bei der ersteren die besetzten Kationenbindungsstellen von der Gesamtanzahl möglicher Kationenbindungsstellen für Nährstoffkationen subtrahiert werden.

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
  • Die Kationenaustauschkapazität gibt für Böden an, wie viele Kationen sie pro Kilogramm eines Bodens binden können.
  • Böden können Kationen binden beziehungsweise speichern, weil sie negativ geladene Bestandteile haben.
  • Bei niedrigen pH-Werten können Böden bedeutend weniger Nährstoffkationen speichern, weil bereits H+-Ionen im Boden gebunden sind.

Nachweise

  1. Binnewies et al (2016). Allgemeine und Anorganische Chemie. Springer Spektrum.
  2. Stahr et al (2016): Bodenkunde und Standortlehre. 3. Auflage. Stuttgart.
  3. Glawion et al (2009): Physische Geographie. 2. Auflage. Seite 357 – 400. Braunschweig.

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 eine Redoxreaktion?

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Antwort

Eine Redoxreaktion ist eine Elektronenübertragung von einem Atom auf ein anderes Atom. Sie setzt sich immer aus Oxidation eines Atoms und aus Reduktion des anderen Atoms zusammen. 

Oxidation = Atom gibt Elektronen ab

Reduktion = Atom nimmt Elektronen auf

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Frage

Was ist eine Reduktion?

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Antwort

Eine Reduktion ist eine Elektronenaufnahme. Wenn ein Atom Elektronen von einem anderen Atom aufnimmt, wird es reduziert.

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Frage

Was ist eine Oxidation?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Oxidation ist eine Elektronenabgabe. Wenn ein Atom Elektronen an ein anderes Atom abgibt, wird es oxidiert.

Frage anzeigen

Frage

Wie nennt sich die Kraft, welche Abstoßung und Anziehung zwischen zwei geladenen Teilchen beschreibt? Wie wirkt sie?

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Antwort

Es ist die Coulomb-Kraft. Wenn beide Teilchen positiv oder negativ geladen sind, stoßen sie sich ab. Wenn ein Teilchen positiv und das andere Teilchen negativ geladen ist, ziehen sie sich an. Je größer die Ladungen der wechselwirkenden Teilchen ist, desto stärker sind Abstoßung und Anziehung.

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Frage

Nenne drei zweiwertige Kationen.

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Antwort

Mg2+. Ca2+, Be2+

Frage anzeigen

Frage

Nenne drei einwertige Kationen.

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Antwort

K+. Na+. Li+

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Frage

Wie binden Böden Kationen?

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Antwort

Böden haben negativ geladene, anorganische Bestandteile. Negativ geladene Teilchen und positiv geladene Teilchen ziehen sich an. Diese Bestandteile ziehen also die positiv geladenen Kationen an.

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Frage

Wieso ist ein niedriger pH-Wert von Nachteil für die Pflanzenernährung?

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Antwort

Ein niedriger pH-Wert ist mit einer hohen Konzentration von H3O+-Ionen gleichzusetzen. Diese binden an die negativ geladenen Bestandteile des Bodens, wodurch eigentliche Nährstoffkationen nur in geringeren Mengen gespeichert werden können.

Frage anzeigen

Frage

Was gibt die Bodenaustauschkapazität an?

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Antwort

Die Bodenaustauschkapazität gibt an, wie viele Kationen ein Boden binden kann. Sie hat die Einheit mmol pro kg.

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Frage

Wie können aus Kationen ihre Elemente gewonnen werden?

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Antwort

Durch Elektrolyse, also eine erzwungene Redoxreaktion. Die Kationen werden dabei reduziert.

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Frage

Was kannst du über die Wertigkeit der Kationen der Element der ersten, zweiten und dritten Hauptgruppe sagen?

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Antwort

Die Wertigkeit beziehungsweise Ladung entspricht der Zahl der Hauptgruppe. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Elemente können Kationen verschiedener Wertigkeit bilden?

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Antwort

Die Elemente der Nebengruppen, zum Beispiel Kupfer und Silber.

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Frage

Wie entstehen Kationen?

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Antwort

Anionen oder Elemente geben so viele Elektronen ab, bis sie weniger Elektronen als Protonen haben. Sie müssen also oxidiert werden.

Frage anzeigen

Frage

Nach welchen Kriterien kann man Kationen unterscheiden?

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Antwort

Es gibt einfache Kationen und zusammengesetzte Kationen. Erstere bestehen aus einem einzigen Atom, die anderen Kationen sind Moleküle. Außerdem haben Kationen verschieden hohe Ladungen beziehungsweise Wertigkeiten.

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Frage

Wie berechnest du die Ladung eines Ions allgemein?


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Antwort

Ladung = Anzahl Protonen - Anzahl Elektronen

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Frage

Wo befinden sich im Atom die Protonen, wo die Elektronen?

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Antwort

Die Protonen befinden sich im Atomkern, die Elektronen in der Atomhülle.

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Frage

Wie wechselwirkt ein Kation mit negativ geladenen Teilchen?

Antwort anzeigen

Antwort

Sie ziehen sich an.

Frage anzeigen

Frage

Wie wechselwirkt ein Kation mit anderen positiv geladenen Teilchen?

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Antwort

Sie stoßen sich ab.

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Frage

Was ist ein Kation?

Antwort anzeigen

Antwort

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

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