A legtöbb atom és molekula, amellyel találkozunk, elektromosan semleges, de az ionok fontos szerepet játszanak a természetben. Ezek a töltött atomok lehetnek pozitív töltésű kationok vagy negatív töltésű anionok. A kationok és az anionok különböző módon alakulnak ki. A kationok esetében az elektron elvesztése nettó pozitív töltéssel jár, míg az anionok esetében az elektron hozzáadása negatív negatív töltéssel jár. A mögöttes folyamatok megértése, ideértve az ionizációs energiát és az elektron-affinitást különböző atomok, segítenek megérteni, miért válnak egyes atomok könnyebben ionokká, mint mások, és mi okozza azt történik.
TL; DR (túl hosszú; Nem olvastam)
A kationok pozitív töltésű ionok, amelyek akkor képződnek, amikor az atom ionizációval elveszíti az elektront. Az ehhez szükséges energiamennyiséget ionizációs energiának nevezzük
Az anionok negatív töltésű ionok, amelyek akkor képződnek, amikor az atom elektront nyer. Az energiát ebben a folyamatban elektron affinitásnak nevezzük.
Mi az az ion?
Az atomoknak három fő alkotóeleme van: protonok, elektronok és neutronok. A neutronok elektromosan semlegesek, és bár fontos szerepet játszanak a magfizikában, mégis nem relevánsak az ionok képződésében, mert nem befolyásolják az atom töltését. A protonok pozitív töltésűek, és a neutronokkal együtt elfoglalják az atom központi magját. Az elektronok az atom negatív töltésű részei, és egy "felhőt" foglalnak el a mag külső része körül. Az elektronok és protonok egyenlő, de ellentétes töltéssel rendelkeznek, és az elemek természetes formáiban mindegyiknek azonos száma van egy atomban. Ez azt jelenti, hogy az elemek elektromosan semlegesek, mert a protonok és az elektronok töltései eloltják egymást.
Az ion egy töltött atom. Ha egy atom elektront nyer, akkor a negatív töltés meghaladja a pozitív töltést, és az egész atom negatív töltést nyer. Ezeket az ionokat anionoknak nevezzük. Ha az atom elveszít egy elektront, akkor több a pozitív töltés, mint a negatív töltés, és az atom egészében pozitív töltésű ion lesz. Ezt kationnak nevezzük.
Hogyan keletkeznek a kationok?
A kationok akkor keletkeznek, amikor egy semleges atom elveszíti az elektront. A fémek hajlamosak az elektronvesztésre az elektron körüli elrendeződése következtében. Az elektronok különböző pályákat foglalnak el a mag körül, és ezeket különböző energiaszintekre lehet csoportosítani. A nagy energiaszintű pályán lévő elektron távolabb van a magtól. A teljes külső energiaszinttel rendelkező atomok stabilak, de ha a külső energiaszintben kis számú elektron van, hajlamosak az elektronvesztésre. Az elektronok a teljes energiaszintben sok pozitív töltést „árnyékolnak” a magból. Ennek eredményeként a külső elektronok csak gyengén kötődnek a maghoz.
A kationok az ionizációs folyamat során keletkeznek, amikor elegendő energiát adnak az elektronnak (például elég nagy energia fényével) ahhoz, hogy eltávolítsák a mag vonzerejétől. Az ehhez szükséges energiát ionizációs energiának nevezzük. Az első ionizációs energia megmondja, hogy mennyi energiára van szükséged egy elektron eltávolításához; a második ionizációs energia megmondja, mennyi szükséges a második eltávolításához, és így tovább.
Kiszámíthatja a keletkező ion töltését a periódusos rendszer csoportja alapján, amelyben az elem található. Például a nátrium az 1. csoportba tartozik, és +1 töltéssel rendelkező kationt képez. A magnézium a 2. csoportba tartozik, és +2 töltésű kationt képez, miután két elektron elveszett az ionizációtól. Az alumínium a 3. csoportba tartozik, és +3 kationt képez. A 4. csoport elemei nem alkotnak ionokat, a magasabb csoport elemei pedig anionokat alkotnak.
Hogyan alakulnak ki az anionok?
Az anionok a kationokkal ellentétes eljárással alakulnak ki. Az elektron elvesztése helyett a nemfém atomok elektront nyerhetnek. Ennek oka, hogy külső energiaszintjük majdnem tele van. Az elektron affinitás kifejezés leírja azt a tendenciát, hogy a semleges atomok elektronokat nyerjenek. Az ionizációs energiához hasonlóan ennek is vannak energiaegységei, de az ionizációs energiával ellentétben negatív értéke van mert az energia felszabadul, ha elektronokat adunk hozzá, míg az elnyelődik, ha az elektronok vannak eltávolítva.
Általánosságban elmondható, hogy a magasabb csoportokban lévő elemek (a periódusos rendszer jobb oldalán találhatóak) magasabb elektron-affinitással rendelkeznek, és a csoportjaik felső sorában (a periódusos rendszer teteje felé haladva) lévő elemeknek magasabb az elektronja affinitások. Egy adott oszlopon lefelé haladva az elektron affinitás csökkenése összefügg a megnövekedett távolsággal a külső héjak és a mag között, valamint az alacsonyabb energiájú árnyékolás a többi elektron elől szintek. Az affinitás növekedése balról jobbra haladva azért van, mert az energiaszintek közelebb kerülnek a teljes elfoglaltsághoz.
Ami a kationokat illeti, az elemcsoport megmondja, hogy mekkora töltésű lesz a megfelelő anion. Az így kapott töltet a csoport száma mínusz nyolc. A 7. csoportba tartozó klór −1 töltésű aniont, az oxigén pedig a 6. csoportban −2 töltésű kationt képez.