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Chemische Verbindungen aus Kationen und Anionen Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Als Salze bezeichnet man eine große Gruppe chemischer Verbindungen, die aus elektrisch positiv geladenen Kationen und negativ geladenen Anionen aufgebaut sind.[1] Der Zusammenhalt der Salze in kondensierter Phase (Feststoff oder Flüssigkeit) beruht hauptsächlich auf der elektrostatischen Anziehung zwischen den gegensätzlich geladenen Ionen.[2] Diese Anziehung heißt ionische Bindung. Im alltäglichen Sprachgebrauch versteht man unter Salz das Speisesalz (Natriumchlorid NaCl).
Salze können nach verschiedenen Kriterien eingeteilt werden.
Je nach Ionenradius und Ionenladung kristallisieren Salze in verschiedenen Gitterstrukturen.[3] Diese lassen sich bei schön gewachsenen Kristallen auch makroskopisch beobachten.
Als Formeln für Salze werden Verhältnisformeln verwendet. Sie geben an, in welchem Verhältnis die Ionen im Salz enthalten sind. Die Verhältnisformel eines Salzes wird durch die Ladungszahl der Ionen bestimmt, da sich positive und negative Ladungen kompensieren müssen. Verhältnisformeln von Salzen stehen damit im klaren Gegensatz zu Formeln von molekularen Verbindungen wie Wasser (H2O) oder Methan (CH4), welche die Anzahl Atome im einzelnen Molekül angeben.
Ionen können ein- oder mehrwertig sein, also eine oder mehrere positive bzw. negative Ladungen tragen. Man unterscheidet einatomige und mehratomige Ionen. Letztere können sowohl geladene Moleküle (Molekülionen) als auch geladene Komplexe (Komplexionen) sein.[3] In der folgenden Tabelle sind Beispiele einiger Ionen aufgeführt.
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Anorganische Salze enthalten meist Metallatome als Kationen. Es existieren jedoch auch anorganische Molekül-Kationen, beispielsweise das Ammonium-Ion NH4+. Die einatomigen Anionen sind in der Regel Nichtmetall-Atome. Molekülionen entstehen vorwiegend bei Säure-Base-Reaktionen durch Aufnahme oder Abgabe eines Wasserstoff-Kations. Die anorganischen Komplexionen sind meist negativ geladen, also anionisch.
Aus anorganischen Ionen ist eine große Vielfalt an Salzen bekannt, unter anderem:
Neben den oben beschriebenen anorganischen Salzen gibt es auch zahlreiche Salze organischer Verbindungen. Die Anionen dieser Salze stammen von den organischen Säuren ab. Wichtig sind hier die Salze der Carbonsäuren, wie beispielsweise die Essigsäure, von der viele Salze, die so genannten Acetate (CH3COO−) bekannt sind. So kann sich mit Na+ das Salz Natriumacetat oder mit Cu2+ das Kupferacetat bilden. Essigsäure ist eine Monocarbonsäure (hat nur eine -COOH-Gruppe) und bildet nur einwertige Anionen. Zitronensäure ist eine Tricarbonsäure (hat drei -COOH-Gruppen) und kann dreiwertige Anionen bilden; ihre Salze nennt man Citrate. Bekannt sind beispielsweise die Salze Natriumcitrat und Calciumcitrat. Viele Acetate und Citrate bilden Kristalle, was aber nicht der eigentliche Grund ist, sie Salze zu nennen. Der wirkliche und einzige Grund liegt am Vorhandensein von ionischen Bindungen zwischen Anionen und Kationen. Innerhalb der Ionen von organischen Verbindungen liegen kovalente Bindungen vor.
Praktische Bedeutung haben die Salze der Carbonsäuren, die zu den Fettsäuren zählen. Die Natrium- oder Kaliumsalze der Fettsäuren nennt man Seifen. In Seifen liegen Stoffgemische verschiedener Fettsäuresalze vor. Praktische Verwendung finden sie als Kernseife bzw. Schmierseife. Als konkretes Beispiel bildet die Palmitinsäure Salze, welche Palmitate genannt werden. Salze, die auf so großen organischen Molekülen beruhen, sind in der Regel nicht kristallin.
Analog zu den anorganischen Sulfaten (SO42−) gibt es auch organische Sulfate (R-O-SO3−), wie Natriumlaurylsulfat, welche als Tenside in Shampoos und Duschgelen Verwendung finden. Auch von Alkoholen sind Salze, die Alkoholate, bekannt. Alkohole sind äußerst schwache Säuren und werden daher fast nie so genannt. Unter aggressiven Reaktionsbedingungen lassen sich Verbindungen der Form R-O−M+ (M = Metall) gewinnen. In Analogie zu vielen anorganischen Oxiden (MO) reagieren Alkoholate bei Kontakt mit Wasser unter Hydrolyse und es bilden sich die entsprechenden Alkohole.
C,H-acide Verbindungen bilden mit ausreichend starken Basen auch Salze. Diese sind bei Reaktionen wie der Knoevenagel-Kondensation und der Aldolreaktion wichtige Zwischenstufen.
Hydrolyse oxidischer Salze | |
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Natriumethanolat | |
Natriumoxid | |
Unter den organischen Kationen haben die zum Ammonium-Kation (NH4+) analogen Verbindungen Bedeutung. Man nennt sie allgemein quartäre Ammoniumverbindungen. Bei diesen Verbindungen trägt das Stickstoffatom in der Regel vier Alkylgruppen (R-) und eine positive Ladung. Die Alkylammoniumverbindung Cetyltrimethylammoniumbromid zum Beispiel ist eine organische Ammoniumverbindung, bei der ein Bromatom als Anion vorliegt. Praktische Bedeutung haben Ammoniumverbindungen mit drei kurzen und einer langen Alkylgruppe, da diese Kationen in wässriger Lösung die Eigenschaft von Tensiden zeigen. Verbindungen dieser Art spielen auch eine wichtige Rolle im Stoffwechsel von Lebewesen, wie etwa das Cholin.
Prinzipiell kann jedes organische Amin durch Aufnahme eines Protons (H+) zu einem Kation werden. Analog zu der Reaktion von Ammoniak (NH3) zum Ammonium-Ion (NH4+) reagiert beispielsweise ein primäres Amin (R-NH2; R = organischer Rest) zum Kation R-NH3+. Da solche Verbindungen meist polarer und daher leichter wasserlöslich sind als die ursprünglichen Stoffe, werden zum Beispiel stickstoffhaltige Arzneistoffe (Pharmawirkstoffe) durch Versetzen mit Salzsäure zu Salzen, den so genannten Hydrochloriden überführt. Dies erleichtert ihre Aufnahme in den Körper. Hydrochloride lassen sich im Gegensatz zu den Aminen leichter durch Umkristallisation reinigen. Analog bilden Amine mit Bromwasserstoff Hydrobromide und mit Fluorwasserstoff Hydrofluoride.
Neben Molekülen, die eine positive oder negative Ladung tragen, existieren auch Moleküle, die über eine negative und positive Ladung verfügen. Man nennt sie Innere Salze oder auch Zwitterionen. Die Stoffgruppe der Betaine zählt zu den inneren Salzen, deren einfachste Verbindung das Betain ist.
Die Aminosäuren verfügen über eine Carboxy-Gruppe (-COOH) und eine Amino-Gruppe (-NH2) und können so sauer und basisch reagieren. In einer inneren Neutralisation bilden sich eine anionische (-COO−) und eine kationische (-NH3+) Gruppe und damit ein Zwitterion. Die einfachste Aminosäure ist das gut in Wasser lösliche Glycin. Zwitterionen zeigen im Gegensatz zu anderen in Wasser gelösten Ionen eine schlechte (keine) elektrische Leitfähigkeit. (Ampholyte)
Anionen organischer Verbindungen | ||
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Stoffgruppe | Beispiel | Struktur |
Carbonsäuresalze | Acetate | ![]() |
Palmitate | ![]() | |
Citrate | ![]() | |
organische Sulfate | Laurylsulfate | ![]() |
Alkoholate | Ethanolate | ![]() |
Kationen organischer Verbindungen | ||
Stoffgruppe | Beispiel | Struktur |
quartäre Ammonium- verbindungen |
Cetyltrimethylammonium | ![]() |
Cholin | ![]() | |
organische Ammonium- Verbindungen |
Salze des Anilins, z. B. Anilin-Hydrochlorid |
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Innere Salze: Kation und Anion in einem Molekül | ||
Stoffgruppe | Beispiel | Struktur |
Betaine | Betain | ![]() |
Aminosäuren | Alanin | ![]() |
Salze entstehen bei der Reaktion von Säuren mit Basen (griechisch basis; Arrhenius: Basen sind die Basis für Salze). Dabei bildet das Oxonium-Ion der Säure mit dem Hydroxid-Ion der Base Wasser (Neutralisation). Einige Salze sind schwer löslich in Wasser und bilden direkt den Feststoff. In der Regel liegt das Salz in Lösung vor und kann durch Verdampfen des Wassers als Feststoff gewonnen werden.
Säure + Base → Salz + Wasser |
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Salzsäure + Natronlauge → Natriumchlorid + Wasser |
Schwefelsäure + Bariumhydroxid → Bariumsulfat + Wasser |
Einige Salze lassen sich aus zwei anderen Salzen gewinnen. Mischt man wässrige Lösungen von zwei Salzen, kann sich ein drittes Salz als Feststoff bilden. Dies gelingt nur, wenn das dritte Salz im Gegensatz zu den anderen beiden schlechter löslich ist.
Salzlösung A + Salzlösung B → Salz C + Salzlösung D |
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Natriumchlorid + Silbernitrat → Silberchlorid + Natriumnitrat |
Calciumchlorid + Natriumcarbonat → Calciumcarbonat + Natriumchlorid |
Wie oben beschrieben tendieren viele Metalloxide dazu, mit Wasser Hydroxide zu bilden. Unter sauren Bedingungen reagieren auch Metalloxide, die in reinem Wasser „unlöslich“ (= stabil) sind. Auf diesem Weg lassen sich viele Salze, wie etwa Kupfersulfat gewinnen.
Metalloxid + Säure → Salz + Wasser |
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Kupfer(II)-oxid + Schwefelsäure → Kupfersulfat + Wasser |
Die Ionen in den oben beschriebenen Reaktionen werden nicht erst gebildet, sondern sie existieren bereits vor der Bildung eines neuen Salzes. Sind bei Reaktionen zur Bildung eines neuen Salzes keine oder nicht alle Ionen mit der nötigen Ladung vorhanden, finden Redoxreaktionen statt. So lassen sich aus elementaren Metallen und Nichtmetallen Salze gewinnen. Reaktionen dieser Art werden unter Salzbildungsreaktion näher beschrieben.