Ionisation

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Ionisation heißt jeder Vorgang, bei dem aus einem Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen entfernt werden, so dass das Atom oder Molekül als positiv geladenes Ion (Kation) zurückbleibt. Der umgekehrte Vorgang, bei dem ein Elektron von einem positiv geladenen Atom oder Molekül eingefangen wird, wird als Rekombination bezeichnet.

Eine weitere Form der Ionisation, die vor allem in der Chemie relevant ist, ist die Anlagerung von Elektronen an ein neutrales Atom oder Molekül, so dass ein negativ geladenes Ion (Anion) entsteht.

Ebenfalls kann Ionisation durch Anlagerung von Ionen (Protonen, Kationen, Anionen) erfolgen, z. B. in der Massenspektrometrie.

Wird der Kern eines Atoms aus der Elektronenhülle hinausgestoßen – z. B. durch ein schnelles Neutron – wird er dadurch ebenfalls zu einem Ion. Jedoch ist für diesen Vorgang die Bezeichnung Ionisation nicht üblich.

In der Literatur finden sich auch Formulierungen wie "Säuren, die bei Ionisierung schwach nucleophile Anionen liefern – wie z.B. HSO4- aus H2SO4 –, lassen sich in [...]" [1]. So kann in einem weiteren Sinn auch die Abspaltung eines Protons in einer Säure-Base-Reaktion unter dem Begriff Ionisation subsumiert werden.

Mechanismen

Zur Ionisation können verschiedene Prozesse führen:

  • Ionisierende Strahlung (dazu zählen hier z. B. auch beschleunigte Elektronen in einer Thyratron-Röhre) kann durch Stoßionisation Elektronen aus ihrer Bindung „herausschlagen“. Die freigesetzten Elektronen können bei genügender Energie ihrerseits weiter ionisieren.
  • Bei der Feldionisation werden Elektronen durch ein genügend starkes elektrisches Feld aus ihrer Bindung gelöst.
  • Hoch angeregte Atome können durch Autoionisation selbstständig in einen ionisierten Zustand übergehen.

Symbolische Schreibweisen

Zur Beschreibung des Stoßionisationsprozesses werden häufig – analog der Schreibweise bei Kernreaktionen – Symbole wie (e,2e), (e,3e), (γ,2e) etc. benutzt. Hierbei steht das erste in der Klammer stehende Zeichen für das Projektil. Nach dem Komma stehen die produzierten freien Teilchen (zusätzlich zum ionisierten Atom und einschließlich des Projektils, sofern dieses nicht - wie im Falle des Photons - absorbiert wird). „2e“ bedeutet zum Beispiel, dass zwei freie Elektronen das Atom verlassen. Bei (e,2e) wird also durch Zusammenstoß eines Elektrons mit einem Atom ein einfach ionisiertes Atom erzeugt, bei (γ,2e) wird durch Wechselwirkung eines Photons mit einem Atom ein doppelt ionisiertes Atom produziert.

Ionisationsenergien

Ionisationsenergie in Abhängigkeit von der Ordnungszahl

Für alle Ionisationsprozesse gilt, dass zur Trennung des Elektrons vom Atom oder Molekül Energie aufgebracht werden muss (Ionisationsenergie). Im vorangegangenen Abschnitt wurden mögliche Quellen für diese Energie genannt. Ionisationsenergien liegen typischerweise in der Größenordnung mehrerer Elektronenvolt (Beispiel Argon im Grundzustand: 15,7 eV). Ionisationsenergien sind abhängig vom zu ionisierenden Material und dessen aktuellem Anregungszustand. So wird es zunehmend schwieriger, bereits ionisierte Atome oder Moleküle weiter zu ionisieren. Die Ionisierungsenergie steigt mit jedem zu entfernenden Elektron aus der Elektronenschale exponentiell an.

Plasma

Ein Gas mit einem erheblichen Anteil Ionen und freien Elektronen bei insgesamt gleich großen positiven und negativen Ladungsmengen nennt man ein Plasma. Nahezu die gesamte sichtbare Materie im Universum ist mehr oder weniger stark ionisiert.

Anwendungsbeispiele

Mittels Ionisatoren ionisierte, also elektrisch leitfähige Luft wird bei der Verarbeitung von Produkten verwendet, die elektrostatische Aufladung erzeugen können, z. B. Folien-/Papierrollen. Die Ladung wird abgebaut und so Gefahren des Funkenschlags, das Anziehen unerwünschter Staubpartikel beseitigt. Außerdem ist der Transport erleichtert.

Ionisierte Luft wird in der Lebensmittelindustrie eingesetzt, zum Beispiel bei der Pasteurisation von Bier und anderen Getränken. In der Getränkeabfüllung wird vor Füllbeginn die Flasche mit ionisierter Luft ausgeblasen, um Mikroorganismen abzutöten.

Ionisierende Strahlung wird bei industrieller Sterilisation (z. B. von medizinischen Einwegartikeln) benutzt.

Beim Ionenplattieren wird eine Oberfläche mittels Ionenbeschuss gereinigt und mit einem Metall beschichtet.

Typische Ionenkonzentrationen in Luft sind:

  • Gebirge, Meer 5.000 Ionen/cm³
  • Stadtrand, Wiesen, Felder 700–1.500 Ionen/cm³
  • innerstädtische Parkanlagen 400–600 Ionen/cm³
  • an Straßen (Bürgersteigen) 100–200 Ionen/cm³
  • innerstädtische Wohnungen 40–50 Ionen/cm³
  • geschlossene, klimatisierte Räume 0–25 Ionen/cm³

Kontaminierungen

Durch die Ionenerzeugung entstehen freie Radikale, die zu chemischen Reaktionen und u.a. zur Bildung von Ozon, Stickoxiden und anderen Schadstoffen führen. Das erzeugte Ozon kann die menschlichen Atmungsorgane beeinträchtigen und fördert Korrosion.

Siehe auch

Einzelnachweise

Weblinks

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