A maioria dos átomos e moléculas que encontramos são eletricamente neutros, mas os íons desempenham um papel importante na natureza. Esses átomos carregados podem ser cátions carregados positivamente ou ânions carregados negativamente. Os cátions e os ânions se formam de maneiras diferentes. Para cátions, a perda de um elétron os deixa com uma carga líquida positiva, enquanto para os ânions, a adição de um elétron os deixa com uma carga líquida negativa. Compreender os processos por trás disso, incluindo a energia de ionização e afinidade eletrônica de diferentes átomos, ajuda a ver por que certos átomos se tornam íons mais facilmente do que outros e o que faz com que acontecer.
TL; DR (muito longo; Não li)
Os cátions são íons carregados positivamente formados quando um átomo perde um elétron por ionização. A quantidade de energia necessária para fazer isso é chamada de energia de ionização
Os ânions são íons com carga negativa formados quando um átomo ganha um elétron. A energia neste processo é chamada de afinidade eletrônica.
O que é um íon?
Os átomos têm três componentes principais: prótons, elétrons e nêutrons. Os nêutrons são eletricamente neutros e, embora desempenhem um papel importante na física nuclear, eles não são relevantes para a formação de íons porque não afetam a carga do átomo em que estão. Os prótons são carregados positivamente e ocupam o núcleo central do átomo junto com os nêutrons. Elétrons são a parte carregada negativamente do átomo e ocupam uma "nuvem" ao redor do núcleo. Elétrons e prótons têm cargas iguais, mas opostas, e nas formas naturais dos elementos, há um número igual de cada um em um átomo. Isso significa que os elementos são eletricamente neutros porque as cargas dos prótons e elétrons se cancelam.
Um íon é um átomo carregado. Se um átomo ganha um elétron, a carga negativa supera a carga positiva e todo o átomo ganha uma carga negativa. Esses íons são chamados de ânions. Se o átomo perder um elétron, haverá mais carga positiva do que negativa, e o átomo como um todo se tornará um íon com carga positiva. Isso é chamado de cátion.
Como os cátions são formados?
Os cátions são formados quando um átomo neutro perde um elétron. Os metais são propensos a perder elétrons como resultado do arranjo dos elétrons ao redor do núcleo. Os elétrons ocupam orbitais diferentes ao redor do núcleo e podem ser agrupados em diferentes níveis de energia. Um elétron em um orbital com alto nível de energia está mais longe do núcleo. Os átomos com um nível de energia externo completo são estáveis, mas se houver um pequeno número de elétrons no nível de energia externo, eles estão propensos a perder elétrons. Os elétrons nos níveis de energia completos “protegem” grande parte da carga positiva do núcleo. Como resultado, os elétrons externos estão apenas fracamente ligados ao núcleo.
Os cátions são formados pelo processo de ionização quando energia suficiente é dada ao elétron (por luz de energia alta o suficiente, por exemplo) para retirá-lo da atração do núcleo. A energia necessária para fazer isso é chamada de energia de ionização. A primeira energia de ionização diz quanta energia você precisa para remover um elétron; a segunda energia de ionização informa quanto é necessário para remover a segunda e assim por diante.
Você pode calcular a carga do íon resultante com base no grupo da tabela periódica em que o elemento está. Por exemplo, o sódio está no grupo 1 e forma um cátion com carga +1. O magnésio está no grupo 2 e forma um cátion com carga +2 após perder dois elétrons por ionização. O alumínio está no grupo 3 e forma um cátion +3. Os elementos do grupo 4 não formam íons e, em vez disso, os elementos do grupo superior formam ânions.
Como os ânions se formam?
Os ânions se formam pelo processo oposto aos cátions. Em vez de perder um elétron, os átomos não metálicos podem ganhar um elétron. Isso ocorre porque seu nível de energia externa está quase cheio. O termo afinidade eletrônica descreve a tendência de átomos neutros ganharem elétrons. Como a energia de ionização, tem unidades de energia, mas ao contrário da energia de ionização, tem um valor negativo porque a energia é liberada quando os elétrons são adicionados, enquanto que é absorvida quando os elétrons são removido.
Em geral, os elementos em grupos superiores (aqueles mais à direita na tabela periódica) têm afinidades eletrônicas mais altas, e os elementos em uma linha superior de seus grupos (mais em direção ao topo da tabela periódica) têm elétron superior afinidades. A diminuição da afinidade eletrônica conforme você desce uma determinada coluna está relacionada ao aumento da distância entre as camadas externas e o núcleo, bem como a blindagem dos outros elétrons em energia mais baixa níveis. O aumento na afinidade conforme você se move da esquerda para a direita é porque os níveis de energia ficam mais perto de serem totalmente ocupados.
Quanto aos cátions, o grupo do elemento informa qual será a carga do ânion correspondente. A carga resultante é o número do grupo menos oito. O cloro, no grupo 7, forma um ânion com carga -1, e o oxigênio, no grupo 6, forma um cátion com carga -2.