Повечето атоми и молекули, които срещаме, са електрически неутрални, но йоните играят важна роля в природата. Тези заредени атоми могат да бъдат положително заредени катиони или отрицателно заредени аниони. Катионите и анионите се образуват по различни начини. За катионите загубата на електрон ги оставя с нетен положителен заряд, докато за анионите добавянето на електрон ги оставя с нетен отрицателен заряд. Разбиране на процесите зад това, включително йонизационната енергия и афинитета на електроните на различни атоми, помага да разберете защо определени атоми стават йони по-лесно от други и какво ги причинява се случи.
TL; DR (твърде дълго; Не прочетох)
Катионите са положително заредени йони, образувани, когато атом загуби електрон чрез йонизация. Количеството енергия, необходимо за това, се нарича йонизационна енергия
Анионите са отрицателно заредени йони, образувани, когато атомът получи електрон. Енергията в този процес се нарича афинитет на електроните.
Какво е йон?
Атомите имат три основни компонента: протони, електрони и неутрони. Неутроните са електрически неутрални и въпреки че играят важна роля в ядрената физика, те не са от значение за образуването на йони, защото не влияят върху заряда на атома, в който се намират. Протоните са заредени положително и те заемат централното ядро на атома заедно с неутроните. Електроните са отрицателно заредената част на атома и те заемат "облак" около външната страна на ядрото. Електроните и протоните имат равни, но противоположни заряди и в естествените форми на елементите има равен брой на всеки в атома. Това означава, че елементите са електрически неутрални, тъй като зарядите от протоните и електроните се отменят взаимно.
Йонът е зареден атом. Ако атомът получи електрон, отрицателният заряд надвишава положителния заряд, а целият атом получава отрицателен заряд. Тези йони се наричат аниони. Ако атомът загуби електрон, тогава има повече положителен заряд, отколкото отрицателен заряд и атомът като цяло се превръща в положително зареден йон. Това се нарича катион.
Как се образуват катиони?
Катионите се образуват, когато неутрален атом загуби електрон. Металите са склонни да губят електрони в резултат на подреждането на електроните около ядрото. Електроните заемат различни орбитали около ядрото и те могат да бъдат групирани в различни енергийни нива. Електрон в орбитала с високо енергийно ниво е по-далеч от ядрото. Атомите с пълно външно енергийно ниво са стабилни, но ако във външното енергийно ниво има малък брой електрони, те са склонни да губят електрони. Електроните в пълните енергийни нива "предпазват" голяма част от положителния заряд от ядрото. В резултат на това външните електрони са слабо свързани с ядрото.
Катионите се образуват в процеса на йонизация, когато на електрона се дава достатъчно енергия (например от светлината с достатъчно висока енергия), за да го отнеме от привличането на ядрото. Енергията, необходима за това, се нарича йонизационна енергия. Първата йонизационна енергия ви казва колко енергия ви е необходима, за да премахнете един електрон; втората йонизационна енергия ви казва колко е необходимо за отстраняването на втората и т.н.
Можете да изработите заряда върху получения йон въз основа на групата на периодичната таблица, в която се намира елементът. Например натрият е в група 1 и образува катион с +1 заряд. Магнезият е в група 2 и образува катион с +2 заряд след загуба на два електрона от йонизация. Алуминият е в група 3 и образува катион +3. Елементите от група 4 не образуват йони, а елементите от по-високата група образуват аниони.
Как се образуват анионите?
Анионите се образуват по обратния на катионите процес. Вместо да загубят електрон, неметалните атоми могат да получат електрон. Това е така, защото външното им енергийно ниво е почти пълно. Терминът електронен афинитет описва тенденцията неутралните атоми да получават електрони. Подобно на йонизационната енергия, тя има единици енергия, но за разлика от йонизационната енергия, тя има отрицателна стойност защото енергията се освобождава, когато се добавят електрони, докато тя се абсорбира, когато електроните са отстранени.
Като цяло, елементите от по-високите групи (тези по-вдясно от периодичната таблица) имат по-висок афинитет на електроните, и елементите в по-висок ред от техните групи (по-нататък към върха на периодичната таблица) имат по-висок електрон сродство. Намаляването на афинитета на електроните при движение надолу по дадена колона е свързано с увеличеното разстояние между външните обвивки и ядрото, както и екранирането от останалите електрони с по-ниска енергия нива. Увеличението на афинитета при движение отляво надясно е, защото енергийните нива се приближават до пълното заемане.
Що се отнася до катионите, групата на елемента ви казва какъв заряд ще бъде съответният анион. Полученият заряд е номерът на групата минус осем. Хлорът в група 7 образува анион с -1 заряд, а кислородът в група 6 образува катион с -1 заряд.