De meeste atomen en moleculen die we tegenkomen zijn elektrisch neutraal, maar ionen spelen een belangrijke rol in de natuur. Deze geladen atomen kunnen positief geladen kationen of negatief geladen anionen zijn. Kationen en anionen vormen zich op verschillende manieren. Voor kationen laat het verlies van een elektron ze achter met een netto positieve lading, terwijl voor anionen de toevoeging van een elektron hen een netto negatieve lading geeft. De processen hierachter begrijpen, inclusief de ionisatie-energie en elektronenaffiniteit van verschillende atomen, helpt u te begrijpen waarom bepaalde atomen gemakkelijker ionen worden dan andere en wat de oorzaak is gebeuren.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Kationen zijn positief geladen ionen die worden gevormd wanneer een atoom een elektron verliest door ionisatie. De hoeveelheid energie die hiervoor nodig is, wordt de ionisatie-energie genoemd
Anionen zijn negatief geladen ionen die worden gevormd wanneer een atoom een elektron krijgt. De energie in dit proces wordt de elektronenaffiniteit genoemd.
Wat is een ion?
Atomen hebben drie hoofdcomponenten: protonen, elektronen en neutronen. Neutronen zijn elektrisch neutraal en hoewel ze een belangrijke rol spelen in de kernfysica, zijn ze zijn niet relevant voor de vorming van ionen omdat ze de lading van het atoom waarin ze zich bevinden niet beïnvloeden. Protonen zijn positief geladen en bezetten samen met de neutronen de centrale kern van het atoom. Elektronen zijn het negatief geladen deel van het atoom en ze bezetten een "wolk" rond de buitenkant van de kern. Elektronen en protonen hebben gelijke maar tegengestelde ladingen, en in de natuurlijke vormen van elementen zijn er gelijke aantallen van elk in een atoom. Dit betekent dat elementen elektrisch neutraal zijn omdat de ladingen van de protonen en elektronen elkaar opheffen.
Een ion is een geladen atoom. Als een atoom een elektron krijgt, is de negatieve lading groter dan de positieve lading en krijgt het hele atoom een negatieve lading. Deze ionen worden anionen genoemd. Als het atoom een elektron verliest, is er meer positieve lading dan negatieve lading, en wordt het atoom als geheel een positief geladen ion. Dit wordt een kation genoemd.
Hoe worden kationen gevormd?
Kationen worden gevormd wanneer een neutraal atoom een elektron verliest. Metalen zijn gevoelig voor het verliezen van elektronen als gevolg van de opstelling van elektronen rond de kern. Elektronen bezetten verschillende orbitalen rond de kern, en deze kunnen worden gegroepeerd in verschillende energieniveaus. Een elektron in een orbitaal met een hoog energieniveau bevindt zich verder van de kern. Atomen met een volledig buitenste energieniveau zijn stabiel, maar als er een klein aantal elektronen in het buitenste energieniveau is, zijn ze vatbaar voor elektronenverlies. De elektronen in de volledige energieniveaus "schermen" veel van de positieve lading van de kern af. Als gevolg hiervan zijn de buitenste elektronen slechts zwak aan de kern gebonden.
Kationen worden gevormd door het proces van ionisatie wanneer er voldoende energie aan het elektron wordt gegeven (bijvoorbeeld door licht met een voldoende hoge energie) om het weg te halen van de aantrekkingskracht van de kern. De energie die hiervoor nodig is, wordt de ionisatie-energie genoemd. De eerste ionisatie-energie vertelt je hoeveel energie je nodig hebt om één elektron te verwijderen; de tweede ionisatie-energie vertelt je hoeveel er nodig is om de tweede te verwijderen, enzovoort.
U kunt de lading op het resulterende ion berekenen op basis van de groep van het periodiek systeem waarin het element zich bevindt. Natrium zit bijvoorbeeld in groep 1 en vormt een kation met een lading van +1. Magnesium zit in groep 2 en vormt een kation met een lading van +2 na het verliezen van twee elektronen door ionisatie. Aluminium zit in groep 3 en vormt een +3 kation. Groep 4-elementen vormen geen ionen, en elementen uit de hogere groep vormen in plaats daarvan anionen.
Hoe ontstaan anionen?
Anionen worden gevormd door het tegenovergestelde proces van kationen. In plaats van een elektron te verliezen, kunnen niet-metalen atomen een elektron krijgen. Dit komt omdat hun uiterlijke energieniveau bijna vol is. De term elektronenaffiniteit beschrijft de neiging van neutrale atomen om elektronen te krijgen. Net als ionisatie-energie heeft het eenheden van energie, maar in tegenstelling tot ionisatie-energie heeft het een negatieve waarde omdat energie vrijkomt wanneer elektronen worden toegevoegd, terwijl het wordt geabsorbeerd wanneer elektronen worden toegevoegd verwijderd.
Over het algemeen hebben elementen in hogere groepen (die verder rechts op het periodiek systeem) hogere elektronenaffiniteiten, en elementen in een hogere rij van hun groepen (verder naar de top van het periodiek systeem) hebben een hoger elektron affiniteiten. De afname van de elektronenaffiniteit als je door een bepaalde kolom naar beneden gaat, houdt verband met de grotere afstand tussen de buitenste schillen en de kern, evenals de afscherming van de andere elektronen met lagere energie niveaus. De toename in affiniteit als je van links naar rechts beweegt, is omdat de energieniveaus dichter bij volledig bezet komen.
Wat betreft kationen, de groep van het element vertelt je welke lading het corresponderende anion zal zijn. De resulterende lading is het groepsnummer min acht. Chloor, in groep 7, vormt een anion met een −1-lading en zuurstof, in groep 6, vormt een kation met een −2-lading.