Większość napotykanych atomów i cząsteczek jest elektrycznie obojętna, ale jony odgrywają ważną rolę w przyrodzie. Te naładowane atomy mogą być dodatnio naładowanymi kationami lub ujemnie naładowanymi anionami. Kationy i aniony tworzą się na różne sposoby. W przypadku kationów utrata elektronu pozostawia je z wypadkowym ładunkiem dodatnim, podczas gdy w przypadku anionów dodanie elektronu pozostawia je z wypadkowym ładunkiem ujemnym. Zrozumienie procesów za tym stojących, w tym energii jonizacji i powinowactwa elektronowego różnych atomów, pomaga zrozumieć, dlaczego niektóre atomy łatwiej stają się jonami niż inne i co powoduje ich zdarzyć.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Kationy to dodatnio naładowane jony powstające, gdy atom traci elektron w wyniku jonizacji. Wymagana do tego ilość energii nazywana jest energią jonizacji
Aniony to ujemnie naładowane jony powstające, gdy atom zyskuje elektron. Energia w tym procesie nazywana jest powinowactwem elektronowym.
Co to jest jon?
Atomy składają się z trzech głównych składników: protonów, elektronów i neutronów. Neutrony są elektrycznie obojętne i chociaż odgrywają ważną rolę w fizyce jądrowej, nie mają znaczenia dla tworzenia jonów, ponieważ nie wpływają na ładunek atomu, w którym się znajdują. Protony są naładowane dodatnio i wraz z neutronami zajmują centralne jądro atomu. Elektrony są ujemnie naładowaną częścią atomu i zajmują „chmurę” wokół jądra. Elektrony i protony mają równe, ale przeciwne ładunki, aw naturalnych formach pierwiastków w atomie jest ich jednakowa liczba. Oznacza to, że pierwiastki są elektrycznie obojętne, ponieważ ładunki protonów i elektronów znoszą się nawzajem.
Jon to naładowany atom. Jeśli atom zyskuje elektron, ładunek ujemny przeważa nad ładunkiem dodatnim, a cały atom zyskuje ładunek ujemny. Jony te nazywane są anionami. Jeśli atom traci elektron, to jest więcej ładunku dodatniego niż ujemnego, a atom jako całość staje się jonem naładowanym dodatnio. Nazywa się to kationem.
Jak powstają kationy?
Kationy powstają, gdy neutralny atom traci elektron. Metale mają skłonność do utraty elektronów w wyniku ułożenia elektronów wokół jądra. Elektrony zajmują różne orbitale wokół jądra i można je pogrupować na różne poziomy energetyczne. Elektron na orbicie o wysokim poziomie energii znajduje się dalej od jądra. Atomy z pełnym zewnętrznym poziomem energii są stabilne, ale jeśli na zewnętrznym poziomie energii znajduje się niewielka liczba elektronów, są one podatne na utratę elektronów. Elektrony na pełnych poziomach energetycznych „osłaniają” dużą część ładunku dodatniego od jądra. W rezultacie zewnętrzne elektrony są tylko słabo związane z jądrem.
Kationy powstają w procesie jonizacji, gdy elektronowi jest dostarczona wystarczająca energia (na przykład światło o wystarczająco wysokiej energii), aby oderwać go od przyciągania jądra. Energia potrzebna do tego nazywana jest energią jonizacji. Pierwsza energia jonizacji mówi, ile energii potrzebujesz, aby usunąć jeden elektron; druga energia jonizacji mówi, ile potrzeba do usunięcia drugiej i tak dalej.
Możesz obliczyć ładunek powstałego jonu na podstawie grupy układu okresowego pierwiastka, w którym znajduje się pierwiastek. Na przykład sód znajduje się w grupie 1 i tworzy kation o ładunku +1. Magnez należy do grupy 2 i po utracie dwóch elektronów w wyniku jonizacji tworzy kation o ładunku +2. Aluminium należy do grupy 3 i tworzy kation +3. Pierwiastki z grupy 4 nie tworzą jonów, a pierwiastki z wyższych grup zamiast tego tworzą aniony.
Jak powstają aniony?
Aniony powstają w procesie odwrotnym do kationów. Zamiast tracić elektron, atomy niemetaliczne mogą zyskać elektron. Dzieje się tak, ponieważ ich zewnętrzny poziom energii jest prawie pełny. Termin powinowactwo elektronowe opisuje tendencję neutralnych atomów do pozyskiwania elektronów. Podobnie jak energia jonizacji ma jednostki energii, ale w przeciwieństwie do energii jonizacji ma wartość ujemną ponieważ energia jest uwalniana, gdy elektrony są dodawane, podczas gdy jest pochłaniana, gdy elektrony są oddalony.
Na ogół pierwiastki w wyższych grupach (te dalej na prawo w układzie okresowym) mają wyższe powinowactwa elektronowe, a pierwiastki w wyższym rzędzie swoich grup (bardziej ku górze układu okresowego) mają wyższy elektron powinowactwa. Spadek powinowactwa elektronów w miarę przesuwania się w dół danej kolumny jest związany ze zwiększoną odległością między powłokami zewnętrznymi a jądrem, a także ekranowanie przed innymi elektronami o niższej energii poziomy. Wzrost powinowactwa, gdy poruszasz się od lewej do prawej, wynika z tego, że poziomy energii zbliżają się do pełnego zajęcia.
Jeśli chodzi o kationy, grupa pierwiastka mówi, jaki ładunek będzie miał odpowiedni anion. Wynikowy ładunek to numer grupy minus osiem. Chlor w grupie 7 tworzy anion o ładunku -1, a tlen w grupie 6 tworzy kation o ładunku -2.