Väčšina atómov a molekúl, s ktorými sa stretávame, sú elektricky neutrálne, ale ióny hrajú v prírode dôležitú úlohu. Týmito nabitými atómami môžu byť kladne nabité katióny alebo záporne nabité anióny. Katióny a anióny sa tvoria rôznymi spôsobmi. Pre katióny ich strata elektrónu zanecháva s čistým kladným nábojom, zatiaľ čo pre anióny ich prídavok elektrónu zanecháva s čistým negatívnym nábojom. Pochopenie procesov, ktoré sú za tým, vrátane ionizačnej energie a elektrónovej afinity k rôznych atómov, vám pomôže zistiť, prečo sa niektoré atómy stávajú iónmi ľahšie ako iné a čo to spôsobuje stať sa.
TL; DR (príliš dlhý; Nečítali)
Katióny sú kladne nabité ióny, ktoré vznikajú, keď atóm ionizáciou stratí elektrón. Množstvo energie potrebnej na to sa nazýva ionizačná energia
Anióny sú negatívne nabité ióny, ktoré vznikajú, keď atóm získa elektrón. Energia v tomto procese sa nazýva elektrónová afinita.
Čo je to ión?
Atómy majú tri hlavné zložky: protóny, elektróny a neutróny. Neutróny sú elektricky neutrálne a hoci hrajú dôležitú úlohu v jadrovej fyzike, majú nie sú relevantné pre vznik iónov, pretože neovplyvňujú náboj atómu, v ktorom sa nachádzajú. Protóny sú nabité kladne a zaberajú centrálne jadro atómu spolu s neutrónmi. Elektróny sú záporne nabitou časťou atómu a zaberajú „oblak“ okolo vonkajšej strany jadra. Elektróny a protóny majú rovnaké, ale opačné náboje a v prirodzených formách prvkov sú v atóme rovnaké počty. To znamená, že prvky sú elektricky neutrálne, pretože náboje z protónov a elektrónov sa navzájom rušia.
Ión je nabitý atóm. Ak atóm získa elektrón, záporný náboj prevažuje nad kladným nábojom a celý atóm získa záporný náboj. Tieto ióny sa nazývajú anióny. Ak atóm stratí elektrón, potom existuje viac kladného náboja ako záporného a z atómu ako celku sa stáva kladne nabitý ión. Toto sa nazýva katión.
Ako sa tvoria katióny?
Katióny sa tvoria, keď neutrálny atóm stratí elektrón. Kovy sú náchylné na stratu elektrónov v dôsledku usporiadania elektrónov okolo jadra. Elektróny obsadzujú rôzne orbitaly okolo jadra a tieto je možné zoskupiť do rôznych energetických úrovní. Elektrón na obežnej dráhe s vysokou úrovňou energie je ďalej od jadra. Atómy s úplnou úrovňou vonkajšej energie sú stabilné, ale ak je na hladine vonkajšej energie malý počet elektrónov, sú náchylné na stratu elektrónov. Elektróny v plnej energetickej hladine „chránia“ veľa pozitívneho náboja z jadra. Vďaka tomu sú vonkajšie elektróny naviazané na jadro iba slabo.
Katióny sa tvoria procesom ionizácie, keď sa elektrónu dodá dostatočné množstvo energie (napríklad svetlom s dostatočne vysokou energiou) na jeho odstránenie z príťažlivosti jadra. Energia potrebná na to sa nazýva ionizačná energia. Prvá ionizačná energia vám povie, koľko energie potrebujete na odstránenie jedného elektrónu; druhá ionizačná energia vám povie, koľko je potrebné na odstránenie druhej atď.
Náboj na výslednom ióne môžete vypočítať na základe skupiny periodickej tabuľky, v ktorej sa prvok nachádza. Napríklad sodík je v skupine 1 a tvorí katión s nábojom +1. Horčík je v skupine 2 a po strate dvoch elektrónov ionizáciou vytvára katión s nábojom +2. Hliník je v skupine 3 a tvorí katión +3. Prvky 4. skupiny netvoria ióny a prvky vyššej skupiny namiesto nich tvoria anióny.
Ako sa tvoria anióny?
Anióny sa tvoria opačným procesom ako katióny. Namiesto straty elektrónu môžu nekovové atómy získať elektrón. Je to preto, že ich vonkajšia energetická úroveň je takmer plná. Pojem elektrónová afinita popisuje tendenciu neutrálnych atómov získavať elektróny. Rovnako ako ionizačná energia má jednotky energie, ale na rozdiel od ionizačnej energie má negatívnu hodnotu pretože energia sa uvoľňuje, keď sa pridávajú elektróny, zatiaľ čo sa absorbuje, keď sa elektróny pridávajú odstránený.
Všeobecne majú prvky vo vyšších skupinách (tie, ktoré sú vpravo od periodickej tabuľky) vyššie elektrónové afinity, a prvky vo vyššom rade svojich skupín (ďalej smerom k hornej časti periodickej tabuľky) majú vyšší elektrón príbuznosti. Pokles afinity elektrónov pri postupe nadol v danom stĺpci súvisí so zväčšenou vzdialenosťou medzi vonkajšími obalmi a jadrom, ako aj tienenie pred ostatnými elektrónmi pri nižšej energii úrovniach. Zvyšovanie afinity pri pohybe zľava doprava je spôsobené tým, že energetické úrovne sa približujú k úplnému obsadeniu.
Pokiaľ ide o katióny, skupina prvku vám hovorí, aký náboj bude zodpovedajúci anión. Výsledný poplatok je číslo skupiny mínus osem. Chlór v skupine 7 vytvára anión s nábojom -1 a kyslík v skupine 6 katión s nábojom -2.