Većina atoma i molekula s kojima se susrećemo električki su neutralni, ali ioni igraju važnu ulogu u prirodi. Ti nabijeni atomi mogu biti pozitivno nabijeni kationi ili negativno nabijeni anioni. Kationi i anioni nastaju na različite načine. Za kation, gubitak elektrona ostavlja im neto pozitivni naboj, dok za anione dodatak elektrona ostavlja neto negativni naboj. Razumijevanje procesa koji stoje iza toga, uključujući energiju ionizacije i afinitet elektrona različitih atoma, pomaže vam da shvatite zašto određeni atomi postaju ioni lakše od drugih i što to uzrokuje dogoditi se.
TL; DR (predugo; Nisam pročitao)
Kationi su pozitivno nabijeni ioni koji nastaju kad atom ionizacijom izgubi elektron. Količina energije potrebna za to naziva se ionizacijskom energijom
Anioni su negativno nabijeni ioni koji nastaju kad atom dobije elektron. Energija u ovom procesu naziva se elektronski afinitet.
Što je ion?
Atomi imaju tri glavne komponente: protone, elektrone i neutrone. Neutroni su električki neutralni i iako igraju važnu ulogu u nuklearnoj fizici, oni to čine nisu relevantni za stvaranje iona jer ne utječu na naboj atoma u kojem se nalaze. Protoni su pozitivno nabijeni i oni zauzimaju središnju jezgru atoma zajedno s neutronima. Elektroni su negativno nabijeni dio atoma i oni zauzimaju "oblak" oko vanjske strane jezgre. Elektroni i protoni imaju jednake, ali suprotne naboje, au prirodnim oblicima elemenata u atomu ima jednak broj. To znači da su elementi električki neutralni jer se naboji iz protona i elektrona međusobno poništavaju.
Ion je nabijeni atom. Ako atom dobije elektron, negativni naboj nadmašuje pozitivni naboj, a cijeli atom negativni naboj. Ti se ioni nazivaju anionima. Ako atom izgubi elektron, tada je pozitivnijeg naboja više nego negativnog, a atom u cjelini postaje pozitivno nabijeni ion. To se naziva kationom.
Kako nastaju kationi?
Kationi nastaju kada neutralni atom izgubi elektron. Metali su skloni gubljenju elektrona kao rezultat rasporeda elektrona oko jezgre. Elektroni zauzimaju različite orbitale oko jezgre i oni se mogu grupirati u različite razine energije. Elektron u orbitali s visokom razinom energije udaljeniji je od jezgre. Atomi s potpunom razinom vanjske energije stabilni su, ali ako je u vanjskoj razini energije mali broj elektrona, oni su skloni gubljenju elektrona. Elektroni u punoj razini energije "štite" puno pozitivnog naboja iz jezgre. Kao rezultat, vanjski elektroni su samo slabo vezani za jezgru.
Kationi nastaju postupkom ionizacije kada se elektronu daje dovoljno energije (na primjer, svjetlošću dovoljno visoke energije) da ga odvoji od privlačnosti jezgre. Energija potrebna za to naziva se ionizacijskom energijom. Prva energija ionizacije govori vam koliko vam je energije potrebno za uklanjanje jednog elektrona; druga energija ionizacije govori vam koliko je potrebno za uklanjanje druge, i tako dalje.
Možete izračunati naboj na rezultirajućem ionu na temelju skupine periodnog sustava u kojem se nalazi element. Primjerice, natrij je u skupini 1 i tvori kation s +1 nabojem. Magnezij je u skupini 2 i tvori kation s +2 naboja nakon gubitka dva elektrona u ionizaciji. Aluminij je u skupini 3 i tvori kation +3. Elementi skupine 4 ne tvore ione, a elementi više skupine tvore anione.
Kako nastaju anioni?
Anioni nastaju suprotnim postupkom od kationa. Umjesto da izgube elektron, nemetalni atomi mogu dobiti elektron. To je zato što je njihova vanjska razina energije gotovo puna. Pojam elektronski afinitet opisuje tendenciju da neutralni atomi dobivaju elektrone. Poput energije ionizacije, ona ima jedinice energije, ali za razliku od energije ionizacije, ona ima negativnu vrijednost jer se energija oslobađa kad se dodaju elektroni, dok se apsorbira kad se elektroni dodaju uklonjen.
Općenito, elementi u višim skupinama (oni koji se nalaze desno na periodnom sustavu) imaju veći afinitet elektrona, a elementi u višem redu svojih skupina (dalje prema vrhu periodnog sustava) imaju veći elektron afiniteti. Smanjenje afiniteta elektrona dok se pomičete prema zadnjem stupcu povezano je s povećanom udaljenostom između vanjskih ljuski i jezgre, kao i zaštita od ostalih elektrona u nižoj energiji razinama. Povećanje afiniteta dok se krećete slijeva udesno je zato što se razine energije približavaju potpunom zauzimanju.
Što se tiče kationa, skupina elementa govori vam koliki će naboj biti odgovarajući anion. Rezultirajući naboj je broj grupe minus osam. Klor u skupini 7 tvori anion s -1 nabojem, a kisik u skupini 6 kation s -2 nabojem.