De fleste atomer og molekyler, vi støder på, er elektrisk neutrale, men ioner spiller en vigtig rolle i naturen. Disse ladede atomer kan være positivt ladede kationer eller negativt ladede anioner. Kationer og anioner dannes på forskellige måder. For kationer efterlader tabet af en elektron dem med en netto positiv ladning, mens for anioner efterlader tilføjelsen af en elektron dem med en netto negativ ladning. At forstå processerne bag dette, herunder ioniseringsenergi og elektronaffinitet af forskellige atomer, hjælper dig med at se, hvorfor visse atomer bliver ioner lettere end andre, og hvad der får det til ske.
TL; DR (for lang; Har ikke læst)
Kationer er positivt ladede ioner dannet, når et atom mister en elektron gennem ionisering. Den nødvendige mængde energi til dette kaldes ioniseringsenergi
Anioner er negativt ladede ioner dannet, når et atom får en elektron. Energien i denne proces kaldes elektronaffinitet.
Hvad er en ion?
Atomer har tre hovedkomponenter: protoner, elektroner og neutroner. Neutroner er elektrisk neutrale, og selvom de spiller en vigtig rolle i kernefysik, er de er ikke relevante for dannelsen af ioner, fordi de ikke påvirker ladningen af det atom, de er i. Protoner er positivt ladede, og de optager atomens centrale kerne sammen med neutronerne. Elektroner er den negativt ladede del af atomet, og de optager en "sky" omkring ydersiden af kernen. Elektroner og protoner har lige, men modsatte ladninger, og i de naturlige former for elementer er der lige mange af dem i et atom. Dette betyder, at elementerne er elektrisk neutrale, fordi ladningerne fra protoner og elektroner annullerer hinanden.
En ion er et ladet atom. Hvis et atom får en elektron, opvejer den negative ladning den positive ladning, og hele atomet får en negativ ladning. Disse ioner kaldes anioner. Hvis atomet mister en elektron, er der mere positiv ladning end negativ ladning, og atomet som helhed bliver en positivt ladet ion. Dette kaldes en kation.
Hvordan dannes kationer?
Kationer dannes, når et neutralt atom mister en elektron. Metaller er tilbøjelige til at miste elektroner som et resultat af arrangementet af elektroner omkring kernen. Elektroner optager forskellige orbitaler omkring kernen, og disse kan grupperes i forskellige energiniveauer. En elektron i en orbital med et højt energiniveau er længere væk fra kernen. Atomer med et fuldt ydre energiniveau er stabile, men hvis der er et lille antal elektroner i det ydre energiniveau, er de tilbøjelige til at miste elektroner. Elektronerne i de fulde energiniveauer “beskytter” meget af den positive ladning fra kernen. Som et resultat er de ydre elektroner kun svagt bundet til kernen.
Kationer dannes ved ioniseringsprocessen, når tilstrækkelig energi gives til elektronen (f.eks. Med lys med en høj nok energi) til at fjerne den fra kernens tiltrækningskraft. Den nødvendige energi til dette kaldes ioniseringsenergi. Den første ioniseringsenergi fortæller dig, hvor meget energi du har brug for for at fjerne en elektron; den anden ioniseringsenergi fortæller dig, hvor meget der kræves for at fjerne den anden osv.
Du kan beregne ladningen på den resulterende ion baseret på gruppen af det periodiske system elementet er i. For eksempel er natrium i gruppe 1, og det danner en kation med en +1 ladning. Magnesium er i gruppe 2, og det danner en kation med en +2 ladning efter at have mistet to elektroner til ionisering. Aluminium er i gruppe 3 og danner en +3-kation. Gruppe 4-elementer danner ikke ioner, og elementer i højere gruppe danner anioner i stedet.
Hvordan dannes anioner?
Anioner dannes ved den modsatte proces til kationer. I stedet for at miste en elektron kan ikke-metalliske atomer få en elektron. Dette skyldes, at deres ydre energiniveau er næsten fuldt. Udtrykket elektronaffinitet beskriver tendensen for neutrale atomer til at få elektroner. Ligesom ioniseringsenergi har den energienheder, men i modsætning til ioniseringsenergi har den en negativ værdi fordi energi frigives, når elektroner tilføjes, hvorimod den absorberes, når elektroner er fjernet.
Generelt har elementer i højere grupper (dem længere til højre i det periodiske system) højere elektronaffiniteter, og elementer i en højere række af deres grupper (længere mod toppen af det periodiske system) har højere elektron tilhørsforhold. Faldet i elektronaffinitet, når du bevæger dig ned ad en given kolonne, er relateret til den øgede afstand mellem de ydre skaller og kernen såvel som afskærmningen fra de andre elektroner i lavere energi niveauer. Stigningen i affinitet, når du bevæger dig fra venstre til højre, er fordi energiniveauerne kommer tættere på at være fuldt optaget.
Med hensyn til kationer fortæller elementets gruppe dig, hvilken opladning den tilsvarende anion vil være. Den resulterende afgift er gruppetallet minus otte. Klor, i gruppe 7, danner en anion med en -1 ladning, og ilt, i gruppe 6, danner en kation med en -2 ladning.