Большинство атомов и молекул, с которыми мы сталкиваемся, электрически нейтральны, но ионы играют важную роль в природе. Эти заряженные атомы могут быть положительно заряженными катионами или отрицательно заряженными анионами. Катионы и анионы образуются по-разному. Для катионов потеря электрона оставляет им чистый положительный заряд, тогда как для анионов добавление электрона оставляет им чистый отрицательный заряд. Понимание процессов, стоящих за этим, включая энергию ионизации и сродство к электрону различных атомов, помогает понять, почему одни атомы становятся ионами легче, чем другие, и что заставляет их случаться.
TL; DR (слишком длинный; Не читал)
Катионы - это положительно заряженные ионы, образующиеся, когда атом теряет электрон в результате ионизации. Количество энергии, необходимое для этого, называется энергией ионизации.
Анионы - это отрицательно заряженные ионы, образующиеся, когда атом приобретает электрон. Энергия в этом процессе называется сродством к электрону.
Что такое ион?
Атомы состоят из трех основных компонентов: протонов, электронов и нейтронов. Нейтроны электрически нейтральны, и, хотя они играют важную роль в ядерной физике, они не имеют отношения к образованию ионов, потому что они не влияют на заряд атома, в котором они находятся. Протоны заряжены положительно и вместе с нейтронами занимают центральное ядро атома. Электроны - это отрицательно заряженная часть атома, и они занимают «облако» за пределами ядра. Электроны и протоны имеют равные, но противоположные заряды, а в естественных формах элементов в атоме их одинаковое количество. Это означает, что элементы электрически нейтральны, потому что заряды протонов и электронов нейтрализуют друг друга.
Ион - это заряженный атом. Если атом получает электрон, отрицательный заряд перевешивает положительный заряд, и весь атом приобретает отрицательный заряд. Эти ионы называются анионами. Если атом теряет электрон, то положительного заряда больше, чем отрицательного, и атом в целом становится положительно заряженным ионом. Это называется катионом.
Как образуются катионы?
Катионы образуются, когда нейтральный атом теряет электрон. Металлы склонны к потере электронов в результате расположения электронов вокруг ядра. Электроны занимают разные орбитали вокруг ядра, и их можно сгруппировать по разным энергетическим уровням. Электрон на орбитали с высоким уровнем энергии находится дальше от ядра. Атомы с полным внешним энергетическим уровнем стабильны, но если на внешнем энергетическом уровне есть небольшое количество электронов, они склонны к потере электронов. Электроны на полных энергетических уровнях «экранируют» большую часть положительного заряда от ядра. В результате внешние электроны слабо связаны с ядром.
Катионы образуются в процессе ионизации, когда электрону передается достаточная энергия (например, светом достаточно высокой энергии), чтобы лишить его притяжения ядра. Энергия, необходимая для этого, называется энергией ионизации. Первая энергия ионизации говорит вам, сколько энергии вам нужно, чтобы удалить один электрон; вторая энергия ионизации говорит вам, сколько требуется для удаления второй энергии и так далее.
Вы можете рассчитать заряд полученного иона на основе группы периодической таблицы, в которой находится элемент. Например, натрий находится в группе 1 и образует катион с зарядом +1. Магний находится в группе 2, и он образует катион с зарядом +2 после потери двух электронов на ионизацию. Алюминий находится в группе 3 и образует катион +3. Элементы группы 4 не образуют ионы, а элементы более высокой группы вместо этого образуют анионы.
Как образуются анионы?
Анионы образуются по процессу, обратному катионам. Вместо потери электрона атомы неметалла могут получить электрон. Это потому, что их внешний энергетический уровень почти заполнен. Термин сродство к электрону описывает тенденцию нейтральных атомов приобретать электроны. Как и энергия ионизации, он имеет единицы энергии, но, в отличие от энергии ионизации, имеет отрицательное значение. потому что энергия высвобождается, когда электроны добавляются, тогда как она поглощается, когда электроны удаленный.
В общем, элементы в более высоких группах (те, что правее в периодической таблице) имеют более высокое сродство к электрону, и элементы в более высоком ряду своих групп (дальше к вершине периодической таблицы) имеют более высокий электронный родства. Уменьшение сродства к электрону при движении вниз по данному столбцу связано с увеличением расстояния. между внешними оболочками и ядром, а также экранирование от других электронов с более низкой энергией уровни. Увеличение сродства при движении слева направо происходит из-за того, что уровни энергии приближаются к тому, чтобы быть полностью занятыми.
Что касается катионов, группа элемента сообщает вам, какой заряд будет у соответствующего аниона. Полученный заряд - это номер группы минус восемь. Хлор в группе 7 образует анион с зарядом -1, а кислород в группе 6 образует катион с зарядом -2.