רוב האטומים והמולקולות שאנו פוגשים הם ניטרלים חשמלית, אך ליונים יש חלק חשוב בטבע. אטומים טעונים אלה יכולים להיות קטיונים טעונים חיובי או אניונים טעונים שלילית. קטיונים ואניונים נוצרים בדרכים שונות. עבור קטיונים, אובדן של אלקטרון משאיר אותם עם מטען חיובי נטו, ואילו עבור אניונים, תוספת של אלקטרון משאירה אותם עם מטען שלילי נטו. הבנת התהליכים העומדים מאחורי זה, כולל אנרגיית היינון והזיקה האלקטרונית של אטומים שונים, עוזר לך לראות מדוע אטומים מסוימים הופכים ליונים ביתר קלות מאחרים ומה גורם לכך לִקְרוֹת.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
קטיונים הם יונים טעונים באופן חיובי שנוצרים כאשר אטום מאבד אלקטרון באמצעות יינון. כמות האנרגיה הנדרשת לשם כך נקראת אנרגיית יינון
אניונים הם יונים טעונים שלילית שנוצרים כאשר אטום צובר אלקטרון. האנרגיה בתהליך זה נקראת זיקה אלקטרונית.
מה זה יון?
לאטומים שלושה מרכיבים עיקריים: פרוטונים, אלקטרונים ונויטרונים. נויטרונים הם ניטרלים חשמלית, ולמרות שהם ממלאים תפקיד חשוב בפיזיקה הגרעינית, הם כן אינם רלוונטיים ליצירת יונים מכיוון שהם אינם משפיעים על מטען האטום בו הם נמצאים. פרוטונים טעונים באופן חיובי, והם תופסים את הגרעין המרכזי של האטום יחד עם הנויטרונים. אלקטרונים הם החלק הטעון שלילית של האטום, והם תופסים "ענן" סביב החלק החיצוני של הגרעין. לאלקטרונים ולפרוטונים יש מטענים שווים אך מנוגדים, ובצורות הטבעיות של יסודות ישנם מספרים שווים של כל אחד מהם באטום. משמעות הדבר היא שאלמנטים הם ניטרלים חשמלית מכיוון שהמטענים מהפרוטונים ומהאלקטרונים מבטלים זה את זה.
יון הוא אטום טעון. אם אטום צובר אלקטרון, המטען השלילי גובר על המטען החיובי, והאטום כולו זוכה למטען שלילי. יונים אלה נקראים אניונים. אם האטום מאבד אלקטרון, יש מטען חיובי יותר ממטען שלילי, והאטום בכללותו הופך ליון טעון חיובי. זה נקרא קטיון.
כיצד נוצרים קטיונים?
קטיונים נוצרים כאשר אטום ניטרלי מאבד אלקטרון. מתכות נוטות לאבד אלקטרונים כתוצאה מסידור האלקטרונים סביב הגרעין. אלקטרונים תופסים מסלולים שונים סביב הגרעין, ואלה יכולים להיות מקובצים לרמות אנרגיה שונות. אלקטרון במסלול בעל רמת אנרגיה גבוהה רחוק יותר מהגרעין. אטומים עם רמת אנרגיה חיצונית מלאה יציבים, אך אם יש מספר קטן של אלקטרונים ברמת האנרגיה החיצונית, הם נוטים לאבד אלקטרונים. האלקטרונים ברמות האנרגיה המלאות "מגנים" על הרבה מטענים חיוביים מהגרעין. כתוצאה מכך, האלקטרונים החיצוניים קשורים רק חלש לגרעין.
קטיונים נוצרים על ידי תהליך יינון כאשר ניתנת אנרגיה מספקת לאלקטרון (על ידי אור של אנרגיה גבוהה מספיק, למשל) כדי להסיר אותו ממשיכת הגרעין. האנרגיה הנדרשת לשם כך נקראת אנרגיית יינון. אנרגיית היינון הראשונה אומרת לך כמה אנרגיה אתה צריך כדי להסיר אלקטרון אחד; אנרגיית היינון השנייה אומרת לך כמה נדרש להסרת השנייה, וכן הלאה.
אתה יכול לחשב את המטען על היון המתקבל בהתבסס על קבוצת הטבלה המחזורית בה נמצא האלמנט. לדוגמה, נתרן נמצא בקבוצה 1, והוא יוצר קטיון עם מטען +1. מגנזיום נמצא בקבוצה 2, והוא יוצר קטיון עם מטען +2 לאחר איבוד שני אלקטרונים למינון. האלומיניום נמצא בקבוצה 3 ויוצר קטיון +3. אלמנטים מקבוצה 4 אינם יוצרים יונים ואלמנטים מקבוצה גבוהה יותר יוצרים אניונים במקום.
איך נוצרים אניונים?
אניונים נוצרים בתהליך הפוך לקטיונים. במקום לאבד אלקטרון, אטומים לא מתכתיים יכולים להשיג אלקטרון. הסיבה לכך היא שרמת האנרגיה החיצונית שלהם כמעט מלאה. המונח זיקה אלקטרונית מתאר את הנטייה של אטומים ניטרליים לצבור אלקטרונים. כמו אנרגיית יינון, יש לה יחידות אנרגיה, אך בניגוד לאנרגיית יינון, יש לה ערך שלילי מכיוון שאנרגיה משתחררת כאשר מוסיפים אלקטרונים, ואילו היא נקלטת כאשר אלקטרונים נמצאים הוסר.
באופן כללי, לאלמנטים בקבוצות גבוהות יותר (אלה הנמצאים יותר מימין בטבלה המחזורית) יש זיקות אלקטרונים גבוהות יותר, ואלמנטים בשורה גבוהה יותר של קבוצותיהם (בהמשך לראש הטבלה המחזורית) הם בעלי אלקטרונים גבוהים יותר זיקות. הירידה בזיקת האלקטרונים כשמעבירים מטה בעמודה נתונה קשורה למרחק המוגבר בין הקליפות החיצוניות והגרעין, כמו גם ההגנה מפני האלקטרונים האחרים באנרגיה נמוכה יותר רמות. העלייה בזיקה ככל שעוברים משמאל לימין נובעת מכך שרמות האנרגיה מתקרבות להיות תפוסות במלואן.
באשר לקטיונים, קבוצת האלמנט מספרת איזו מטען יהיה האניון המתאים. המטען שנוצר הוא מספר הקבוצה מינוס שמונה. כלור, בקבוצה 7, יוצר אניון עם מטען -1, וחמצן, בקבוצה 6, יוצר קטיון עם מטען -2.