Kationen – Definition, Chemie, Ladung, Bildung und Beispiele

Ionen sind Atome oder Moleküle, die eine positive oder negative Ladung tragen. Die Ladung eines Kations ist immer positiv. Die Ladung eines Anions ist dementsprechend immer negativ. Kationen und Anionen bilden gemeinsam als Ionengitter Salze.

Ein Kation entsteht in der Chemie immer dann, wenn ein Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen abgibt oder wenn ein Molekül Protonen (H⁺) aufnimmt.

Ein Beispiel für die Abgabe von Elektronen ist das Erreichen der Edelgaskonfiguration bei den Alkali- und Erdalkalimetallen. Alkalimetalle wie Natrium haben laut ihrer Elektronenkonfiguration ein Außenelektron. Um die Edelgaskonfiguration zu erreichen, ist es für sie am einfachsten, ein Elektron abzugeben. Da sich dabei die Anzahl der negativ geladenen Elektronen um eins verringert, aber die Anzahl an Protonen im Kern gleich bleibt, entsteht ein einfach positiv geladenes Natriumkation. Ähnlich ist es beim Erdalkalimetall Magnesium. Da es in der zweiten Hauptgruppe des Periodensystems steht, muss das Magnesiumatom zwei Elektronen abgeben, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Somit verringert sich die Anzahl an negativ geladenen Elektronen um zwei. Da auch hier die Anzahl der Protonen im Kern unverändert bleibt, entsteht ein Magnesiumion mit der Ladung +2. Das Magnesium Kation ist zweifach positiv geladen. Allgemein gesagt ist es charakteristisch für Metalle, ihre Außenelektronen abzugeben und so Metallionen zu bilden. Metalle bilden bevorzugt Metallkationen.

Auch Moleküle können Elektronen abgeben, um dadurch energetisch günstige Zustände zu erreichen. Das ringförmige Molekül Cycloheptatrien wird durch die Abgabe eines Elektrons zum Cycloheptatrienylkation, das ein aromatisches System ist. Aromaten sind sehr stabil und daher energetisch günstig. Die Abgabe des Elektrons erfolgt hier formal in Form eines Hydridions (H^–).

Kationen können auch in einfachen Säure-Base-Reaktionen entstehen. So kann Wasser durch Autoprotolyse zu einem Oxoniumion H₃O⁺ (Kation) und Hydroxidion OH^– (Anion) reagieren. Ein Wassermolekül nimmt dabei ein Proton H⁺ vom zweiten Wassermolekül auf. Wasser kann aber auch mit anderen Molekülen in einer Säure-Base-Reaktion reagieren. Bei der Reaktion von Ammoniak NH₃ mit Wasser H₂O entsteht das Ammoniumion NH₄⁺ und ein Hydroxidion OH^–. Das Ammoniak hat dabei ein Proton des Wassers aufgenommen.

Auch bei der Reaktion von Schwefelsäure und Salpetersäure entsteht ein wichtiges Kation: das Nitrylkation NO₂⁺ (Nitroniumion). Das Nitroniumion kann bei der elektrophilen Substitution an Aromaten als Elektrophil reagieren (Nitrierung).

H₂SO₄ + HNO₃ → HSO₄^– + NO₂⁺ + H₂O

In der folgenden Tabelle sind einige Ionen aufgelistet. Manche Metalle können mehrere verschiedene Kationen bilden, indem sie unterschiedlich viele Elektronen abgeben.

Salze sind immer aus Kationen und Anionen aufgebaut. Die Anionen und Kationen in Natriumchlorid (Kochsalz) sind bereits im Namen der Verbindung zu erkennen. Hier ist Natrium Na⁺ das Kation und Chlorid Cl^– das Anion. Auch im Natriumhydroxid ist das Kation ein Natriumion Na⁺. Das Anion des Natriumhydroxids ist allerdings das Hydroxidion OH^–. Die Ladungen müssen in einem Salz immer ausgeglichen sein. Hat man zum Beispiel ein zweiwertiges Kation wie Mg²⁺, wird zum Ausgleich entweder ein zweiwertiges Anion oder zwei einwertige Anionen benötigt. In der folgenden Abbildung wird die Bildung von Magnesiumoxid gezeigt. Das Magnesiumatom gibt zwei Elektronen an das Sauerstoffatom ab. Beide haben dadurch ein Elektronenoktett erreicht und sind nun zweifach geladen. Der Sauerstoff wurde durch die Elektronenaufnahme zum Oxidion (Anion) und das Magnesium zum Magnesiumkation. Zusammen können sie nun ihre Ladungen ausgleichen und als Ionengitter ein Salz bilden.

Viele Medikamente werden in Form von Salzen verabreicht, in denen das Kation eine organische Verbindung ist. Beispiele hierfür sind das Tiotropiumkation, das Glycopyrroniumkation oder das Methylthioniniumkation.

Für die Gesundheit des Menschen sind aber auch einfache Metallkationen von sehr großer Bedeutung. Sie sind unter anderem an vielen biologischen Prozessen wie der Reizweiterleitung und als Cofaktoren in vielen Enzymen beteiligt. Darum ist es wichtig, diese Metallionen regelmäßig mit der Ernährung zu sich zu nehmen. Einige wichtige Kationen sind sogar in Mineralwasser enthalten. 

Viele Aminosäuren haben geladene Reste, die wichtig für ihre Funktion in Enzymen sind. Als Beispiel für positiv geladene Aminosäureseitenketten wären hier das Lysinkation, das Argininkation und das Histidinkation zu nennen.