La maggior parte degli atomi e delle molecole che incontriamo sono elettricamente neutri, ma gli ioni svolgono un ruolo importante in natura. Questi atomi carichi possono essere cationi caricati positivamente o anioni caricati negativamente. I cationi e gli anioni si formano in modi diversi. Per i cationi, la perdita di un elettrone li lascia con una carica netta positiva, mentre per gli anioni, l'aggiunta di un elettrone li lascia con una carica netta negativa. Comprendere i processi alla base di questo, inclusa l'energia di ionizzazione e l'affinità elettronica di atomi diversi, ti aiuta a capire perché alcuni atomi diventano ioni più facilmente di altri e cosa lo fa diventare accadere.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
I cationi sono ioni carichi positivamente che si formano quando un atomo perde un elettrone per ionizzazione. La quantità di energia necessaria per fare ciò è chiamata energia di ionizzazione
Gli anioni sono ioni carichi negativamente che si formano quando un atomo acquista un elettrone. L'energia in questo processo è chiamata affinità elettronica.
Che cos'è uno ione?
Gli atomi hanno tre componenti principali: protoni, elettroni e neutroni. I neutroni sono elettricamente neutri e, sebbene svolgano un ruolo importante nella fisica nucleare, essi non sono rilevanti per la formazione di ioni perché non influenzano la carica dell'atomo in cui si trovano. I protoni sono carichi positivamente e occupano il nucleo centrale dell'atomo insieme ai neutroni. Gli elettroni sono la parte caricata negativamente dell'atomo e occupano una "nube" attorno all'esterno del nucleo. Elettroni e protoni hanno cariche uguali ma opposte, e nelle forme naturali degli elementi, ci sono numeri uguali di ciascuno in un atomo. Ciò significa che gli elementi sono elettricamente neutri perché le cariche dei protoni e degli elettroni si annullano a vicenda.
Uno ione è un atomo carico. Se un atomo guadagna un elettrone, la carica negativa supera la carica positiva e l'intero atomo acquista una carica negativa. Questi ioni sono chiamati anioni. Se l'atomo perde un elettrone, allora c'è più carica positiva che carica negativa e l'atomo nel suo insieme diventa uno ione con carica positiva. Questo è chiamato catione.
Come si formano i cationi?
I cationi si formano quando un atomo neutro perde un elettrone. I metalli tendono a perdere elettroni a causa della disposizione degli elettroni attorno al nucleo. Gli elettroni occupano orbitali diversi attorno al nucleo e questi possono essere raggruppati in diversi livelli di energia. Un elettrone in un orbitale con un alto livello di energia è più lontano dal nucleo. Gli atomi con un livello di energia esterno completo sono stabili, ma se c'è un piccolo numero di elettroni nel livello di energia esterno, sono inclini a perdere elettroni. Gli elettroni nei livelli di piena energia "schermano" molta della carica positiva dal nucleo. Di conseguenza, gli elettroni esterni sono solo debolmente legati al nucleo.
I cationi si formano mediante il processo di ionizzazione quando all'elettrone viene data energia sufficiente (ad esempio mediante la luce di un'energia sufficientemente elevata) per sottrarlo all'attrazione del nucleo. L'energia necessaria per fare ciò è chiamata energia di ionizzazione. La prima energia di ionizzazione ti dice quanta energia hai bisogno per rimuovere un elettrone; la seconda energia di ionizzazione ti dice quanto è necessario per rimuovere la seconda, e così via.
Puoi calcolare la carica sullo ione risultante in base al gruppo della tavola periodica in cui si trova l'elemento. Ad esempio, il sodio è nel gruppo 1 e forma un catione con carica +1. Il magnesio è nel gruppo 2 e forma un catione con carica +2 dopo aver perso due elettroni per ionizzazione. L'alluminio è nel gruppo 3 e forma un catione +3. Gli elementi del gruppo 4 non formano ioni e gli elementi del gruppo superiore formano invece anioni.
Come si formano gli anioni?
Gli anioni si formano per il processo opposto ai cationi. Invece di perdere un elettrone, gli atomi non metallici possono guadagnare un elettrone. Questo perché il loro livello di energia esterna è quasi pieno. Il termine affinità elettronica descrive la tendenza degli atomi neutri ad acquisire elettroni. Come l'energia di ionizzazione, ha unità di energia, ma a differenza dell'energia di ionizzazione, ha un valore negativo perché l'energia viene rilasciata quando si aggiungono elettroni, mentre viene assorbita quando gli elettroni sono rimosso.
In generale, gli elementi nei gruppi superiori (quelli più a destra sulla tavola periodica) hanno affinità elettroniche più elevate, e gli elementi in una riga più alta dei loro gruppi (più verso la parte superiore della tavola periodica) hanno un elettrone più alto affinità. La diminuzione dell'affinità elettronica quando ci si sposta lungo una determinata colonna è correlata all'aumento della distanza tra i gusci esterni e il nucleo, nonché la schermatura dagli altri elettroni a energia inferiore lower livelli. L'aumento dell'affinità mentre ti muovi da sinistra a destra è perché i livelli di energia si avvicinano all'essere completamente occupati.
Per quanto riguarda i cationi, il gruppo dell'elemento ti dice quale carica sarà l'anione corrispondente. L'addebito risultante è il numero del gruppo meno otto. Il cloro, nel gruppo 7, forma un anione con carica -1 e l'ossigeno, nel gruppo 6, forma un catione con carica -2.