Wertigkeit von Atomen und Ionen

Obwohl die Wertigkeit ein eher historisches Verfahren ist, wird sie auch heute oft verwendet, beispielsweise beim Erstellen von Verhältnisformeln. Historisch gesehen, versteht man unter der Wertigkeit eines Elements, wie viele Wasserstoffatome das betreffende Atom/Ion binden bzw. ersetzen kann (Beispiel: Methan, CH4, => 4-wertiges Kohlenstoffatom). Da in diesem Fall man unter der Wertigkeit eines Elements auch dessen Bindigkeit versteht, kann man zur Bestimmung der Wertigkeit ein paar formale Regeln aufstellen.

Vereinfacht gesagt, gibt die Wertigkeit auch an, wie viele Elektronen das betreffende Atom in seiner äußeren Elektronenschale aufnehmen oder abgeben kann, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen (=> voll besetzte Valenzschale). Und bereits hier fangen die Schwierigkeiten an, die zu Beginn des Chemieunterrichts auftauchen. Denn die Bindigkeit/Wertigkeit eines Elementes gibt an, wie viel Einfachbindungen es ausbilden kann, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen (hier stellt sich dann die Frage: Und was ist mit Doppelbindungen?)

Nach dieser Vereinfachung kann (könnte) die Wertigkeit von Elementen mit Hilfe des Periodensystems bestimmt werden. Bei den ersten vier Hauptgruppen (in der Regel Metalle) entspricht die jeweilige Hauptgruppennummer der Wertigkeit des Elements. Für die Hauptgruppen 6 – 8  gibt es folgende Regel: Man subtrahiert von der Zahl 8 die Hauptgruppenzahl, die entspricht der Wertigkeit. Beispiel: Sauerstoff steht in der VI. Hauptgruppe, hat daher eine Wertigkeit von 8 – 6 = 2.

Die “Gültigkeit” bzw. “Vorteile” dieses Modell erkennen wir, wenn wir die Wertigkeit der Edelgase berechnen. Die Edelgase sind in der 8. Hauptgruppe, ihre Wertigkeit entspricht 8 – 8 = 0. Edelgase sind 0-wertig, also 0-bindig. Dies stimmt mit dem überein, was im Chemie-Anfangsunterricht gelehrt wird. Edelgase haben bereits die Edelgaskonfiguration erreicht und gehen deshalb keine Bindungen mehr ein. Nach diesem Modell könnte man sich die Wertigkeiten von Hauptgruppenelementen wie vorher beschrieben herleiten (mit Hilfe der Hauptgruppennummer).

Hauptgruppennummer (Wertigkeit): I(1), II(2), III(3), IV(4), VI(3), VII(2), VIII(1)

Im Rahmen des fortgeschrittenen Chemieunterrichts werden wir aber lernen, dass es auch Edelgase gibt, die mit anderen Elementen reagieren und Verbindungen bilden. Die aufgestellte Regel zur Bestimmung der Wertigkeit (mit Hilfe der Hauptgruppennummer) hat nur eine begrenzte Gültigkeit. Im Prinzip gilt diese Regel nur streng für Hauptgruppenelemente und auch hier nur bei Elementen bis zur 2. Periode. So können auch Elemente der IV., V. und VI. Hauptgruppe andere Wertigkeiten besitzen, als wir berechnet haben.

Berechnung von Wertigkeiten

Um die Wertigkeit von Elementen (v.a. in Verbindungen) zu bestimmen, reicht im Rahmen des einfachen Chemie-Schulunterrichts folgende Regeln aus:

  • Wasserstoff hat immer die Wertigkeit 1
  • Fluor hat immer die Wertigkeit 1
  • Im Elementarzustand haben alle Elemente die Wertigkeit 0
  • Sauerstoff hat in der Regel die Wertigkeit 2 (Ausnahmen sind die Peroxide)

Ermitteln lässt sich die Wertigkeit bei (binären) Verbindungen des Typs AB immer folgendermaßen:

Wertigkeit (A) · Index (A) = Wertigkeit (B) · Index (B)

Wertigkeiten von Atomen in Verbindungen mit Wasserstoff

Wasserstoff hat die immer die Wertigkeit 1. Daher ist die Wertigkeit von Elementen, die in Verbindung mit Wasserstoffatomen vorkommen, einfach zu berechnen: Beispiel: AlH3 (Aluminium ist 3-wertig), HCl (Chlor ist 1-wertig). Wie man an den Beispielen sieht, gilt diese Regel bei Hauptgruppenmetallen als auch bei Nebengruppenmetallen.

Wertigkeiten von Atomen in Verbindungen ohne Wasserstoff

Hier wird es bereits etwas komplizierter, da nicht nur Nebengruppenelemente, sondern auch Hauptgruppenelemente in verschiedenen Oxidationsstufen/Wertigkeiten auftreten können.

Diese Wertigkeiten mit Hilfe der “Kreuzregel” ermitteln, wenn die Wertigkeit eines Elements bekannt ist (z.B. durch die Angabe der Oxidationszahl, z.B. Kupfer(II)oxid).

Beispiel: Kupfer(II)oxid (kein Peroxid, daher hat das Sauerstoffatom in der Verbindung die Wertigkeit 2)

Wertigkeit

Die Bedeutung des Begriffs “Wertigkeit” lässt sich auch daran erkennen, wie oft dieser Begriff in Zusammenhang mit anderen Begriffen wie “Wertigkeit”, “Bindigkeit” oder “Oxidationszahl” gefallen ist. Alle diese Begriffe sind gleichbedeutend.


Wertigkeit von Atomen und Ionen – Testfragen/-aufgaben

1. Was versteht man unter der Wertigkeit eines Atoms?

Die Wertigkeit eines Atoms bezeichnet die Fähigkeit, Bindungen mit anderen Atomen einzugehen. Sie gibt an, wie viele Elektronen ein Atom aufnehmen, abgeben oder mit anderen Atomen teilen kann, um eine stabile, volle äußere Elektronenschale zu erreichen.

2. Was sind Valenzelektronen?

Valenzelektronen sind die Elektronen in der äußersten Schale eines Atoms, die für chemische Reaktionen zur Verfügung stehen. Sie bestimmen die Wertigkeit und viele andere chemische Eigenschaften eines Elements.

3. Wie kann man die Wertigkeit eines Atoms bestimmen?

Die Wertigkeit eines Atoms lässt sich aus der Position des Elements im Periodensystem ableiten. Die Gruppennummer (bei den Hauptgruppen) gibt in der Regel die Wertigkeit des Elements an.

4. Was ist die Bedeutung der Wertigkeit in einer chemischen Reaktion?

In einer chemischen Reaktion gibt die Wertigkeit der Atome an, wie viele Bindungen sie eingehen können. Das hilft beim Verständnis und Vorhersage der Produkte einer Reaktion.

5. Was ist der Unterschied zwischen der Wertigkeit und der Oxidationszahl?

Die Wertigkeit ist die Anzahl der Elektronen, die ein Atom abgeben, aufnehmen oder teilen kann, während die Oxidationszahl die tatsächliche Ladung eines Atoms in einer Verbindung darstellt.

6. Was ist die Wertigkeit von Ionen?

Die Wertigkeit eines Ions entspricht seiner Ladung. Ein Kation mit einer +1 Ladung hat beispielsweise eine Wertigkeit von +1, ein Anion mit einer -2 Ladung eine Wertigkeit von -2.

7. Warum ist Wasserstoff eine Ausnahme, wenn es um die Bestimmung der Wertigkeit geht?

Wasserstoff ist eine Ausnahme, weil es sowohl eine Wertigkeit von +1 haben kann, wenn es ein Elektron abgibt, als auch -1, wenn es ein Elektron aufnimmt.

8. Wie hängen die Elektronenkonfiguration und die Wertigkeit zusammen?

Die Elektronenkonfiguration eines Atoms bestimmt seine Wertigkeit. Atome streben eine volle äußere Elektronenschale an – entweder durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen oder durch Teilen in einer kovalenten Bindung.

9. Was ist eine kovalente Bindung?

Eine kovalente Bindung ist eine chemische Bindung, die durch das Teilen von Elektronenpaaren zwischen Atomen entsteht.

10. Was ist ein Ionenpaar?

Ein Ionenpaar ist eine Verbindung aus einem Kation und einem Anion. Die Wertigkeiten beider Ionen müssen gleich und entgegengesetzt sein, damit die gesamte Ladung der Verbindung neutral ist.