La plupart des atomes et molécules que nous rencontrons sont électriquement neutres, mais les ions jouent un rôle important dans la nature. Ces atomes chargés peuvent être des cations chargés positivement ou des anions chargés négativement. Les cations et les anions se forment de différentes manières. Pour les cations, la perte d'un électron leur laisse une charge nette positive, tandis que pour les anions, l'ajout d'un électron leur laisse une charge nette négative. Comprendre les processus derrière cela, y compris l'énergie d'ionisation et l'affinité électronique de différents atomes, vous aide à voir pourquoi certains atomes deviennent des ions plus facilement que d'autres et ce qui les fait se produire.
TL; DR (trop long; n'a pas lu)
Les cations sont des ions chargés positivement formés lorsqu'un atome perd un électron par ionisation. La quantité d'énergie nécessaire pour ce faire s'appelle l'énergie d'ionisation
Les anions sont des ions chargés négativement formés lorsqu'un atome gagne un électron. L'énergie dans ce processus s'appelle l'affinité électronique.
Qu'est-ce qu'un ion ?
Les atomes ont trois composants principaux: les protons, les électrons et les neutrons. Les neutrons sont électriquement neutres, et bien qu'ils jouent un rôle important en physique nucléaire, ils ne sont pas pertinents pour la formation des ions car ils n'affectent pas la charge de l'atome dans lequel ils se trouvent. Les protons sont chargés positivement et occupent le noyau central de l'atome avec les neutrons. Les électrons sont la partie chargée négativement de l'atome, et ils occupent un "nuage" autour de l'extérieur du noyau. Les électrons et les protons ont des charges égales mais opposées, et dans les formes naturelles des éléments, il y a un nombre égal de chacun dans un atome. Cela signifie que les éléments sont électriquement neutres car les charges des protons et des électrons s'annulent.
Un ion est un atome chargé. Si un atome gagne un électron, la charge négative l'emporte sur la charge positive et l'atome entier gagne une charge négative. Ces ions sont appelés anions. Si l'atome perd un électron, alors il y a plus de charge positive que de charge négative, et l'atome dans son ensemble devient un ion chargé positivement. C'est ce qu'on appelle un cation.
Comment se forment les cations ?
Les cations se forment lorsqu'un atome neutre perd un électron. Les métaux ont tendance à perdre des électrons en raison de la disposition des électrons autour du noyau. Les électrons occupent différentes orbitales autour du noyau, et celles-ci peuvent être regroupées en différents niveaux d'énergie. Un électron dans une orbitale avec un niveau d'énergie élevé est plus éloigné du noyau. Les atomes avec un niveau d'énergie externe complet sont stables, mais s'il y a un petit nombre d'électrons dans le niveau d'énergie externe, ils ont tendance à perdre des électrons. Les électrons dans les niveaux d'énergie complets "protégent" une grande partie de la charge positive du noyau. En conséquence, les électrons externes ne sont que faiblement liés au noyau.
Les cations sont formés par le processus d'ionisation lorsqu'une énergie suffisante est donnée à l'électron (par la lumière d'une énergie suffisamment élevée, par exemple) pour le soustraire à l'attraction du noyau. L'énergie nécessaire pour ce faire est appelée énergie d'ionisation. La première énergie d'ionisation vous indique la quantité d'énergie dont vous avez besoin pour éliminer un électron; la seconde énergie d'ionisation vous indique la quantité nécessaire pour éliminer la seconde, et ainsi de suite.
Vous pouvez calculer la charge de l'ion résultant en fonction du groupe du tableau périodique dans lequel se trouve l'élément. Par exemple, le sodium est dans le groupe 1, et il forme un cation avec une charge +1. Le magnésium fait partie du groupe 2 et forme un cation avec une charge +2 après avoir perdu deux électrons par ionisation. L'aluminium appartient au groupe 3 et forme un cation +3. Les éléments du groupe 4 ne forment pas d'ions, et les éléments du groupe supérieur forment à la place des anions.
Comment se forment les anions ?
Les anions se forment par le processus inverse des cations. Au lieu de perdre un électron, les atomes non métalliques peuvent gagner un électron. C'est parce que leur niveau d'énergie externe est presque plein. Le terme affinité électronique décrit la tendance des atomes neutres à gagner des électrons. Comme l'énergie d'ionisation, elle a des unités d'énergie, mais contrairement à l'énergie d'ionisation, elle a une valeur négative parce que l'énergie est libérée lorsque des électrons sont ajoutés, alors qu'elle est absorbée lorsque les électrons sont supprimé.
En général, les éléments des groupes supérieurs (ceux plus à droite sur le tableau périodique) ont des affinités électroniques plus élevées, et les éléments dans une rangée supérieure de leurs groupes (plus loin vers le haut du tableau périodique) ont un électron plus élevé affinités. La diminution de l'affinité électronique à mesure que vous descendez une colonne donnée est liée à l'augmentation de la distance entre les enveloppes externes et le noyau, ainsi que la protection contre les autres électrons de plus faible énergie les niveaux. L'augmentation de l'affinité lorsque vous vous déplacez de gauche à droite est due au fait que les niveaux d'énergie se rapprochent de leur pleine occupation.
Comme pour les cations, le groupe de l'élément vous indique quelle sera la charge de l'anion correspondant. La charge qui en résulte est le numéro de groupe moins huit. Le chlore, dans le groupe 7, forme un anion avec une charge -1, et l'oxygène, dans le groupe 6, forme un cation avec une charge -2.
