Enamik aatomeid ja molekule, mida me kohtame, on elektriliselt neutraalsed, kuid ioonidel on looduses oluline osa. Need laetud aatomid võivad olla positiivselt laetud katioonid või negatiivselt laetud anioonid. Katioonid ja anioonid moodustuvad erineval viisil. Katioonide puhul jätab elektronikaotus neile positiivse netolaengu, samas kui anioonide puhul jätab elektroni lisamine negatiivse netolaengu. Mõistmine selle taga olevatele protsessidele, sealhulgas ka ionisatsioonienergia ja elektronide afiinsus erinevad aatomid, aitab teil mõista, miks teatud aatomid muutuvad teistest kergemini ioonideks ja mis selle põhjustab juhtuma.
TL; DR (liiga pikk; Ei lugenud)
Katioonid on positiivselt laetud ioonid, mis tekivad siis, kui aatom kaotab ioniseerimise teel elektroni. Selleks vajalikku energiahulka nimetatakse ionisatsioonienergiaks
Anioonid on negatiivselt laetud ioonid, mis tekivad siis, kui aatom saab elektroni. Selle protsessi energiat nimetatakse elektroni afiinsuseks.
Mis on ioon?
Aatomitel on kolm põhikomponenti: prootonid, elektronid ja neutronid. Neutronid on elektriliselt neutraalsed ja kuigi neil on tuumafüüsikas oluline osa, on neil ka see ei ole ioonide moodustumisel asjakohased, kuna need ei mõjuta aatomi laengut, milles nad on. Prootonid on positiivselt laetud ja nad hõivavad koos neutronitega aatomi keskse tuuma. Elektronid on aatomi negatiivselt laetud osa ja nad hõivavad tuuma väliskülje ümber "pilve". Elektronidel ja prootonitel on võrdsed, kuid vastupidised laengud ning elementide looduslikes vormides on aatomis igaüht võrdselt. See tähendab, et elemendid on elektriliselt neutraalsed, kuna prootonite ja elektronide laengud tühistavad üksteise.
Ioon on laetud aatom. Kui aatom saab elektroni, kaalub negatiivne laeng üles positiivse laengu ja kogu aatom saab negatiivse laengu. Neid ioone nimetatakse anioonideks. Kui aatom kaotab elektroni, on positiivset laengut rohkem kui negatiivset ja aatom tervikuna saab positiivselt laetud iooni. Seda nimetatakse katiooniks.
Kuidas moodustuvad katioonid?
Katioonid tekivad, kui neutraalne aatom kaotab elektroni. Metallid on altid elektronide kadumisele elektronide paigutuse tagajärjel tuuma ümber. Elektronid hõivavad tuuma ümber erinevaid orbitaale ja neid saab rühmitada erinevateks energiatasemeteks. Suure energiatasemega orbiidil olev elektron asub tuumast kaugemal. Täieliku välise energiatasemega aatomid on stabiilsed, kuid kui välises energiatasemes on vähe elektrone, on nad altid elektronide kaotamisele. Täieliku energiataseme elektronid kaitsevad tuumast palju positiivset laengut. Seetõttu on välised elektronid tuumaga seotud vaid nõrgalt.
Katioonid tekivad ionisatsiooniprotsessi käigus, kui elektronile antakse piisavalt energiat (näiteks piisavalt kõrge energia valgusel), et see eemaldaks selle tuuma ligitõmbumisest. Selleks vajalikku energiat nimetatakse ionisatsioonienergiaks. Esimene ionisatsioonienergia ütleb teile, kui palju energiat vajate ühe elektroni eemaldamiseks; teine ionisatsioonienergia ütleb teile, kui palju on vaja teise eemaldamiseks jne.
Saadud iooni laengu saate välja töötada perioodilisustabeli rühma põhjal, milles element on. Näiteks kuulub naatrium 1. rühma ja see moodustab katiooniga +1 laengu. Magneesium kuulub 2. rühma ja see moodustab pärast kahe elektroni kaotamist ionisatsioonile katio +2 laenguga. Alumiinium kuulub 3. rühma ja moodustab +3 katiooni. 4. rühma elemendid ei moodusta ioone ja kõrgema rühma elemendid moodustavad selle asemel anioone.
Kuidas moodustuvad anioonid?
Anioonid moodustuvad katioonidele vastupidise protsessi abil. Elektroni kaotamise asemel võivad mittemetallilised aatomid saada elektroni. Seda seetõttu, et nende välisenergia tase on peaaegu täis. Termin elektronide afiinsus kirjeldab neutraalsete aatomite kalduvust saada elektrone. Nagu ionisatsioonienergial, on ka sellel energiaühikud, kuid erinevalt ionisatsioonienergiast on sellel ka negatiivne väärtus kuna elektronide lisamisel eraldub energia, samal ajal kui see neeldub, kui elektrone on eemaldatud.
Üldiselt on kõrgemate rühmade (perioodilisustabelis paremal asuvad) elementidel suurem elektronide afiinsus, ja nende rühmade kõrgemas reas (edasi perioodilise tabeli ülaosa) olevatel elementidel on kõrgem elektron sugulused. Elektrooni afiinsuse vähenemine antud veerus allapoole liikumisel on seotud suurenenud kaugusega väliskestade ja tuuma vahel, samuti varjestus teiste madalama energiaga elektronide eest tasemed. Vasakult paremale liikudes suureneb afiinsus seetõttu, et energiatase läheneb täielikult hõivatud olekule.
Katioonide osas ütleb elemendi rühm teile, milline laeng on vastav anioon. Saadud laeng on grupi number miinus kaheksa. Kloor, rühmas 7, moodustab −1 laenguga aniooni ja hapnik, rühmas 6, −2 laenguga katiooni.