Suurin osa kohtaamistamme atomista ja molekyyleistä on sähköisesti neutraaleja, mutta ioneilla on tärkeä osa luonnossa. Nämä varautuneet atomit voivat olla positiivisesti varautuneita kationeja tai negatiivisesti varautuneita anioneja. Kationit ja anionit muodostuvat eri tavoin. Kationeille elektronin menetys jättää heille positiivisen nettovarauksen, kun taas anionien kohdalla elektronin lisääminen jättää heille negatiivisen nettovarauksen. Ymmärtäminen tämän takana olevista prosesseista, mukaan lukien ionisaatioenergia ja elektronien affiniteetti eri atomeja, auttaa sinua ymmärtämään, miksi tietyistä atomista tulee ioneja helpommin kuin toiset ja mikä sen aiheuttaa tapahtua.
TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)
Kationit ovat positiivisesti varautuneita ioneja, jotka muodostuvat, kun atomi menettää elektronin ionisaation avulla. Tähän tarvittavaa energiamäärää kutsutaan ionisaatioenergiaksi
Anionit ovat negatiivisesti varautuneita ioneja, jotka muodostuvat, kun atomi saa elektronin. Tämän prosessin energiaa kutsutaan elektroniaffiniteetiksi.
Mikä on ioni?
Atomeilla on kolme pääkomponenttia: protonit, elektronit ja neutronit. Neutronit ovat sähköisesti neutraaleja, ja vaikka niillä on tärkeä osa ydinfysiikassa, ne ei ole merkityksellistä ionien muodostumiselle, koska ne eivät vaikuta atomin varaukseen. Protonit ovat positiivisesti varautuneita, ja ne vievät atomin ytimen yhdessä neutronien kanssa. Elektronit ovat negatiivisesti varattu osa atomia, ja ne vievät "pilven" ytimen ulkopuolelle. Elektroneilla ja protoneilla on yhtä suuret mutta vastakkaiset varaukset, ja alkuaineiden luonnollisissa muodoissa niitä on yhtä monta atomissa. Tämä tarkoittaa, että elementit ovat sähköisesti neutraaleja, koska protonien ja elektronien varaukset estävät toisiaan.
Ioni on varattu atomi. Jos atomi saa elektronin, negatiivinen varaus ylittää positiivisen varauksen ja koko atomi saa negatiivisen varauksen. Näitä ioneja kutsutaan anioneiksi. Jos atomi menettää elektronin, positiivista varausta on enemmän kuin negatiivista varausta, ja atomista kokonaisuutena tulee positiivisesti varattu ioni. Tätä kutsutaan kationiksi.
Kuinka kationit muodostuvat?
Kationit muodostuvat, kun neutraali atomi menettää elektronin. Metallit ovat alttiita menettämään elektroneja johtuen elektronien järjestelystä ytimen ympärille. Elektronit vievät eri kiertoradat ytimen ympärille, ja ne voidaan ryhmitellä eri energiatasoille. Elektroni kiertoradalla, jolla on korkea energiataso, on kauempana ytimestä. Atomit, joilla on täydellinen ulkoisen energian taso, ovat vakaita, mutta jos ulkoisessa energiatasossa on pieni määrä elektroneja, ne ovat alttiita menettämään elektroneja. Elektronit täydellä energiatasolla "suojaavat" paljon positiivista varausta ytimestä. Tämän seurauksena ulommat elektronit ovat vain heikosti sitoutuneet ytimeen.
Kationit muodostuvat ionisaatioprosessilla, kun elektronille annetaan riittävästi energiaa (esimerkiksi riittävän korkean energian valolla) sen irrottamiseksi ytimen vetovoimasta. Tätä varten tarvittavaa energiaa kutsutaan ionisaatioenergiaksi. Ensimmäinen ionisaatioenergia kertoo kuinka paljon energiaa tarvitset yhden elektronin poistamiseksi; toinen ionisaatioenergia kertoo kuinka paljon tarvitaan toisen poistamiseksi ja niin edelleen.
Voit selvittää saadun ionin varauksen sen jaksollisen taulukon ryhmän perusteella, jossa elementti on. Esimerkiksi natrium kuuluu ryhmään 1 ja se muodostaa kationin +1-varauksella. Magnesium on ryhmässä 2, ja se muodostaa kationin +2-varauksella menetettyään kaksi elektronia ionisaatioon. Alumiini on ryhmässä 3 ja muodostaa +3-kationin. Ryhmän 4 elementit eivät muodosta ioneja, ja ylemmän ryhmän elementit muodostavat anioneja.
Kuinka anionit muodostuvat?
Anionit muodostuvat päinvastaisella prosessilla kuin kationit. Ei-metalliset atomit voivat elektronin menettämisen sijaan saada elektronin. Tämä johtuu siitä, että niiden ulkoinen energiataso on lähes täynnä. Termi elektroniaffiniteetti kuvaa taipumusta neutraaleihin atomiin hankkia elektroneja. Kuten ionisointienergialla, sillä on energiayksiköitä, mutta toisin kuin ionisointienergialla, sillä on negatiivinen arvo koska energia vapautuu, kun elektroneja lisätään, kun taas se absorboituu, kun elektroneja on poistettu.
Yleensä ylemmissä ryhmissä (jaksollisen taulukon oikealla puolella olevat) olevilla elementeillä on korkeampi elektronisuhde, ja ryhmien ylemmällä rivillä (edelleen kohti jaksollisen taulukon yläosaa) olevilla elementeillä on korkeampi elektroni suhde. Elektroni-affiniteetin väheneminen, kun siirryt alas tietyssä sarakkeessa, liittyy lisääntyneeseen etäisyyteen ulkokuorien ja ytimen välillä, samoin kuin suojaus muista elektronista pienemmässä energiassa tasoilla. Affiniteetin kasvu, kun siirryt vasemmalta oikealle, johtuu siitä, että energiatasot lähestyvät täysin miehitettyä.
Mitä kationeihin tulee, elementtiryhmä kertoo sinulle, mikä varaus vastaavasta anionista tulee. Tuloksena on ryhmän numero miinus kahdeksan. Kloori, ryhmässä 7, muodostaa anionin, jolla on −1 varaus, ja hapen, ryhmässä 6, kationin, jonka varaus on −2.
