Войти
Ион () - это атом или молекула, имеющая нетто электрический заряд. Поскольку заряд электрона (считающийся отрицательным по традиции) равен заряду протона (считающемуся положительным по соглашению) и противоположен ему, суммарный заряд иона отличен от нуля из-за его общего числа электронов не равно его общему количеству протонов. катион представляет собой положительно заряженный ион с меньшим количеством электронов, чем протонов, в то время как анион заряжен отрицательно, с большим количеством электронов, чем протонов. Из-за своих противоположных электрических зарядов катионы и анионы притягиваются друг к другу и легко образуют ионные соединения.
Ионы, состоящие только из одного атома, называются атомарными или одноатомными ионами, в то время как два или более атомов образуют молекулярные ионы или многоатомные ионы. В случае физической ионизации в жидкости (газе или жидкости) «ионные пары» создаются спонтанными столкновениями молекул, где каждая сгенерированная пара состоит из свободного электрона и положительного иона. Ионы также создаются химическими взаимодействиями, такими как растворение соли в жидкостях, или другими способами, такими как пропускание постоянного тока через проводящий раствор, растворение анод посредством ионизации.
Слово ион происходит от греческого слово ἰόν, ion, «идущий», причастие настоящего слова ναι, ienai, «идти». Этот термин был введен (после предложения английского полимата Уильяма Уэвелла ) английским физиком и химиком Майклом Фарадеем в 1834 году для неизвестных тогда видов, от одного электрода к другому через водную среду. Фарадей не знал природы этих видов, но он знал, что, поскольку металлы растворяются и входят в раствор на одном электроде, а новый металл выходит из раствора на другом электроде; что какое-то вещество прошло сквозь раствор в токе. Это переносит материю из одного места в другое. В переписке с Фарадеем Уэвелл также придумал слова анод и катод, а также анион и катион как ионы, которые притягиваются к соответствующим электродам.
Сванте Аррениус выдвинул в своей диссертации 1884 г. свое объяснение того факта, что твердые кристаллические соли диссоциируют на парные заряженные частицы при растворении, за что он получил Нобелевскую премию по химии 1903 года. Объяснение Аррениуса заключалось в том, что при образовании раствора соль диссоциирует на ионы Фарадея. Аррениус предположил, что ионы образуются даже в отсутствие электрического тока.
Ионы в своем газообразном состоянии обладают высокой реакционной способностью и будут быстро взаимодействовать с ионами противоположного заряда, давая нейтральные молекулы. или ионные соли. Ионы также образуются в жидком или твердом состоянии, когда соли взаимодействуют с растворителями (например, водой) с образованием сольватированных ионов, которые более стабильны по причинам, связанным с комбинацией энергии и энтропии изменяется, когда ионы удаляются друг от друга, чтобы взаимодействовать с жидкостью. Эти стабилизированные виды чаще встречаются в окружающей среде при низких температурах. Типичным примером являются ионы, присутствующие в морской воде, полученные из растворенных солей.
Будучи заряженными объектами, ионы притягиваются к противоположным электрическим зарядам (от положительного к отрицательному и наоборот) и отталкиваются одинаковыми зарядами. Когда они движутся, их траектории могут отклоняться магнитным полем.
Электроны из-за их меньшей массы и, следовательно, большей способности заполнять пространство, как волны материи, определяют размер атомов и молекул. которые вообще имеют какие-либо электроны. Таким образом, анионы (отрицательно заряженные ионы) больше, чем исходная молекула или атом, поскольку избыточный электрон (ы) отталкивает друг друга и увеличивает физический размер иона, поскольку его размер определяется его электронным облаком. Катионы меньше соответствующего родительского атома или молекулы из-за меньшего размера электронного облака. Один конкретный катион (катион водорода) не содержит электронов и, следовательно, состоит из одного протона - намного меньше, чем родительский атом водорода.
Атом водорода (в центре) содержит один протон и один электрон. Удаление электрона дает катион (слева), тогда как добавление электрона дает анион (справа). Анион водорода с его слабо удерживаемым двухэлектронным облаком имеет больший радиус, чем нейтральный атом, который, в свою очередь, намного больше, чем голый протон катиона . Водород образует единственный катион с зарядом + 1, у которого нет электронов, но даже катионы, которые (в отличие от водорода) все еще удерживают один или несколько электронов, все же меньше нейтральных атомов или молекул, из которых они образованы. Поскольку электрический заряд на протоне по величине равен заряду электрона, чистый электрический заряд на ионе равен количеству протонов в ионе минус количество электронов.
Анион (-) (), от греческого слова ἄνω (ánō), означающего «вверх», представляет собой ион с большим количеством электронов, чем протонов, поэтому чистый отрицательный заряд (поскольку электроны заряжены отрицательно, а протоны заряжены положительно).
Катион (+) (), от греческого слова κάτω (káto), что означает «вниз», это ион с меньшим количеством электронов, чем протонов, что придает ему положительный заряд.
Для ионов с несколькими зарядами используются дополнительные названия. Например, ион с зарядом -2 известен как дианион, а ион с зарядом +2 известен как дикатион. цвиттерион представляет собой нейтральную молекулу с положительными и отрицательными зарядами в разных местах внутри этой молекулы.
Катионы и анионы измеряются по их ионному радиусу, и они различаются относительным размер: «Катионы маленькие, большинство из них менее 10 м (10 см) в радиусе. Но большинство анионов имеют большие размеры, как и самый распространенный анион Земли, кислород. Из этого факта очевидно, что большая часть пространства кристалла занята анионом, и катионы помещаются в промежутки между ними ».
Термины анион и катион (для ионов, которые, соответственно, перемещаются к аноду и катод во время электролиза) были введены Майклом Фарадеем в 1834 году..
Ионы повсеместно встречаются в природе и ответственны за различные явления, от люминесценции Солнца до существование ионосферы Земли . Атомы в ионном состоянии могут иметь цвет, отличный от нейтральных атомов, и, таким образом, поглощение света ионами металлов дает цвет драгоценных камней. Как в неорганической, так и в органической химии (включая биохимию) взаимодействие воды и ионов чрезвычайно важно; Примером является энергия, которая управляет распадом аденозинтрифосфата (АТФ ). В следующих разделах описываются контексты, в которых ионы занимают видное место; они расположены в убывающем физическом масштабе, от астрономического до микроскопического.
Ионы могут быть получены нехимическим способом с использованием различных источников ионов, обычно с использованием высокого напряжения или температуры. Они используются во множестве устройств, таких как масс-спектрометры, оптические эмиссионные спектрометры, ускорители частиц, ионные имплантеры и <74.>ионные двигатели.
В качестве реактивных заряженных частиц они также используются в очистке воздуха путем уничтожения микробов, а также в таких предметах домашнего обихода, как детекторы дыма.
для контроля передачи сигналов и метаболизма в организмах за счет точного ионного градиента через мембраны нарушение этого градиента способствует гибели клеток. Это обычный механизм, используемый естественными и искусственными биоцидами, включая ионные каналы грамицидин и амфотерицин (фунгицид ).
Неорганические растворенные ионы являются компонентом общего количества растворенных твердых веществ, широко известного показателя качества воды.
Схема ионной камеры, показывающая дрейф ионов. Электроны дрейфуют быстрее положительных ионов из-за их гораздо меньшей массы. 
Эффект лавины между двумя электродами. Первоначальное событие ионизации высвобождает один электрон, а каждое последующее столкновение освобождает еще один электрон, поэтому при каждом столкновении возникают два электрона: ионизирующий электрон и освобожденный электрон. Ионизирующее воздействие излучения на газ широко используется для обнаружения излучения, такого как альфа, бета, гамма и рентгеновские лучи. Исходный акт ионизации в этих приборах приводит к образованию «ионной пары»; положительный ион и свободный электрон в результате воздействия излучения на молекулы газа. Ионизационная камера является простейшим из этих детекторов и собирает все заряды, создаваемые прямой ионизацией в газе посредством приложения электрического поля.
Трубка Гейгера – Мюллера и пропорциональный счетчик оба используют явление, известное как лавина Таунсенда, чтобы умножить эффект первоначального ионизирующего события посредством каскадного эффекта, при котором свободным электронам дается достаточно энергия электрического поля для высвобождения дополнительных электронов ионным ударом.
Эквивалентные обозначения для атома железа (Fe), который потерял два электрона, обозначается как двухвалентный.При записи химической формулы для иона его суммарный заряд записывается в верхнем индексе сразу после химической структуры молекулы / атома. Сумма нетто-заряда указывается перед знаком; то есть двухзарядный катион обозначен как 2+ вместо +2 . Однако для однозарядных молекул / атомов величина заряда опускается; например, катион натрия обозначается как Na, а не Na.
Альтернативный (и приемлемый) способ показать молекулу / атом с несколькими зарядами - это нарисовать знаки несколько раз, это часто наблюдается с переходными металлами. Химики иногда обводят знак; это просто орнамент и не меняет химического значения. Таким образом, все три представления Fe., Fe и Fe, показанные на рисунке, эквивалентны.
Смешанные римские цифры и обозначения заряда для иона уранил. Степень окисления металла обозначена римскими цифрами с верхним индексом, тогда как заряд всего комплекса показан символом угла вместе с величиной и знаком чистого заряда. Одноатомные ионы иногда также обозначаются римскими цифрами, особенно в спектроскопии ; например, приведенный выше пример Fe. иногда упоминается как Fe (Ⅲ) или Fe, где римская цифра Ⅰ означает нейтральное состояние, а все ионизации на одну цифру больше стандартного числа. Римская цифра обозначает формальную степень окисления элемента, тогда как индо-арабские цифры с индексом обозначают чистый заряд. Таким образом, эти два обозначения можно заменить на одноатомные ионы, но римские цифры нельзя применять к многоатомным ионам. Однако можно смешивать обозначения для отдельного металлического центра с многоатомным комплексом, как показано на примере иона уранила.
Если ион содержит неспаренные электроны, он называется радикальным ионом. Ионы-радикалы, как и незаряженные радикалы, очень реактивны. Многоатомные ионы, содержащие кислород, такие как карбонат и сульфат, называются оксианионами. Молекулярные ионы, которые содержат по крайней мере одну связь углерода с водородом, называются органическими ионами. Если заряд в органическом ионе формально центрирован на углероде, он называется карбокатионом (если заряжен положительно) или карбанионом (если заряжен отрицательно).
Одноатомные ионы образуются за счет усиления или потери электронов на валентной оболочке (крайний электронный оболочка) в атоме. Внутренние оболочки атома заполнены электронами, которые прочно связаны с положительно заряженным атомным ядром и поэтому не участвуют в таком химическом взаимодействии. Процесс получения или потери электронов нейтральным атомом или молекулой называется ионизацией.
Атомы можно ионизировать путем бомбардировки излучением, но более обычный процесс ионизации, встречающийся в химии, - это перенос электронов между атомами или молекулами. Этот переход обычно обусловлен достижением стабильных («закрытых») электронных конфигураций. Атомы будут получать или терять электроны в зависимости от того, какое действие требует наименьшей энергии.
Например, атом натрия, Na, имеет один электрон в своей валентной оболочке, окружающий 2 стабильные заполненные внутренние оболочки из 2 и 8 электронов. Поскольку эти заполненные оболочки очень стабильны, атом натрия имеет тенденцию терять свой лишний электрон и достигать этой стабильной конфигурации, становясь катионом натрия в процессе
С другой стороны, хлор атом, Cl, имеет 7 электронов в валентной оболочке, что на один меньше стабильной заполненной оболочки с 8 электронами. Таким образом, атом хлора имеет тенденцию приобретать дополнительный электрон и достигать стабильной 8-электронной конфигурации, становясь в процессе хлорид-анионом:
Эта движущая сила является причиной натрия и хлора. пройти химическую реакцию, в которой «лишний» электрон передается от натрия к хлору, образуя катионы натрия и анионы хлора. Будучи противоположно заряженными, эти катионы и анионы образуют ионные связи и объединяются с образованием хлорида натрия, NaCl, более известного как поваренная соль.
Карта электростатического потенциала нитрат-иона (NO. 3). Трехмерная оболочка представляет собой один произвольный изопотенциал.Многоатомные и молекулярные ионы часто образуются в результате приобретения или потери элементарных ионов, таких как протон, H., в нейтральных молекулах. Например, когда аммиак, NH. 3, принимает протон, H. - процесс, называемый протонированием - он образует ион аммония, NH. 4. Аммиак и аммоний имеют одинаковое количество электронов в по существу одинаковой электронной конфигурации, но у аммония есть дополнительный протон, который придает ему чистый положительный заряд.
Аммиак также может потерять электрон, чтобы получить положительный заряд, образуя ион NH. 3. Однако этот ион нестабилен, поскольку он имеет неполную валентную оболочку вокруг атома азота, что делает его очень реакционноспособным радикальным ионом.
Из-за нестабильности ион-радикалов многоатомные и молекулярные ионы обычно образуются за счет приобретения или потери элементарных ионов, таких как H., а не за счет приобретения или потери электронов. Это позволяет молекуле сохранять свою стабильную электронную конфигурацию, приобретая электрический заряд.
энергия, необходимая для отделения электрона в его самом низком энергетическом состоянии от атома или молекулы газа с меньшим суммарным электрическим зарядом, называется потенциалом ионизации., или энергия ионизации. Энергия n-й ионизации атома - это энергия, необходимая для отделения его n-го электрона после того, как первые n - 1 электронов уже были отделены.
Каждая последующая энергия ионизации заметно больше предыдущей. Особенно большое увеличение происходит после того, как любой заданный блок атомных орбиталей исчерпывается электронами. По этой причине ионы имеют тенденцию формироваться таким образом, чтобы у них оставались полные орбитальные блоки. Например, натрий имеет один валентный электрон в своей внешней оболочке, поэтому в ионизированной форме он обычно встречается с одним потерянным электроном, как Na.. С другой стороны периодической таблицы, хлор имеет семь валентных электронов, поэтому в ионизированной форме он обычно встречается с одним приобретенным электроном, как Cl.. У цезия самая низкая измеренная энергия ионизации из всех элементов, а у гелия - самая большая. В общем, энергия ионизации металлов намного ниже, чем энергия ионизации неметаллов, поэтому, как правило, металлы теряют электроны с образованием положительно заряженных ионов, а неметаллы получают электроны с образованием отрицательно заряженных ионов.
Ионная связь - это разновидность химической связи, которая возникает из-за взаимного притяжения противоположно заряженных ионов. Ионы с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга, а ионы с противоположным зарядом притягиваются друг к другу. Следовательно, ионы обычно не существуют сами по себе, но будут связываться с ионами противоположного заряда, образуя кристаллическую решетку . Полученное соединение называется ионным соединением и, как говорят, удерживается вместе за счет ионной связи. В ионных соединениях возникают характерные расстояния между соседними ионами, из которых можно определить пространственную протяженность и ионный радиус отдельных ионов.
Наиболее распространенный тип ионной связи наблюдается в соединениях металлов и неметаллов (кроме благородных газов, которые редко образуют химические соединения). Металлы характеризуются небольшим количеством электронов, превышающим стабильную электронную конфигурацию с замкнутой оболочкой. Таким образом, они имеют тенденцию терять эти лишние электроны для достижения стабильной конфигурации. Это свойство известно как электроположительность. Неметаллы, с другой стороны, характеризуются наличием электронной конфигурации всего на несколько электронов от стабильной конфигурации. Таким образом, они имеют тенденцию получать больше электронов, чтобы достичь стабильной конфигурации. Эта тенденция известна как электроотрицательность. Когда сильно электроположительный металл сочетается с сильно электроотрицательным неметаллом, лишние электроны от атомов металла передаются электронно-дефицитным атомам неметалла. В результате этой реакции образуются катионы металлов и анионы неметаллов, которые притягиваются друг к другу, образуя соль.
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
