Večina atomov in molekul, s katerimi se srečujemo, je električno nevtralnih, vendar imajo ioni pomembno vlogo v naravi. Ti nabiti atomi so lahko pozitivno nabiti kationi ali negativno nabiti anioni. Kationi in anioni nastajajo na različne načine. Pri kationih zaradi izgube elektrona ostane neto pozitivni naboj, pri anionih pa dodatek elektrona neto negativni naboj. Razumevanje procesov za tem, vključno z ionizacijsko energijo in afiniteto elektronov različnih atomov, vam pomaga ugotoviti, zakaj nekateri atomi lažje postanejo ioni kot drugi in kaj povzroča zgodilo.
TL; DR (predolgo; Nisem prebral)
Kationi so pozitivno nabiti ioni, ki nastanejo, ko atom z ionizacijo izgubi elektron. Količina energije, potrebna za to, se imenuje ionizacijska energija
Anioni so negativno nabiti ioni, ki nastanejo, ko atom pridobi elektron. Energija v tem procesu se imenuje elektronska afiniteta.
Kaj je ion?
Atomi imajo tri glavne komponente: protone, elektrone in nevtrone. Nevtroni so električno nevtralni in čeprav igrajo pomembno vlogo v jedrski fiziki, jih imajo niso pomembni za tvorbo ionov, ker ne vplivajo na naboj atoma, v katerem so. Protoni so pozitivno nabiti in zasedajo osrednje jedro atoma skupaj z nevtroni. Elektroni so negativno nabit del atoma in zasedajo "oblak" okoli zunanje strani jedra. Elektroni in protoni imajo enake, a nasprotne naboje, v naravnih oblikah elementov pa je v atomu enako število. To pomeni, da so elementi električno nevtralni, ker se naboji iz protonov in elektronov medsebojno izničijo.
Ion je nabit atom. Če atom pridobi elektron, negativni naboj odtehta pozitivni naboj, celoten atom pa negativni naboj. Ti ioni se imenujejo anioni. Če atom izgubi elektron, potem obstaja več pozitivnega naboja kot negativnega naboja in atom kot celota postane pozitivno nabit ion. To se imenuje kation.
Kako nastajajo kationi?
Kationi nastanejo, ko nevtralni atom izgubi elektron. Kovine so nagnjene k izgubi elektronov zaradi razporeditve elektronov okoli jedra. Elektroni zasedajo različne orbitale okoli jedra in jih je mogoče združiti v različne ravni energije. Elektron v orbitali z visoko energijsko stopnjo je bolj oddaljen od jedra. Atomi s polnim nivojem zunanje energije so stabilni, če pa je v zunanjem nivoju energije majhno število elektronov, so nagnjeni k izgubi elektronov. Elektroni v polnih nivojih energije "zaščitijo" veliko pozitivnega naboja iz jedra. Posledično so zunanji elektroni le šibko vezani na jedro.
Kationi nastanejo v procesu ionizacije, ko se elektronu da dovolj energije (na primer s svetlobo dovolj visoke energije), da se odstrani od privlačnosti jedra. Za to potrebna energija se imenuje ionizacijska energija. Prva ionizacijska energija vam pove, koliko energije potrebujete za odstranitev enega elektrona; druga ionizacijska energija vam pove, koliko je potrebno za odstranitev druge itd.
Naboj na nastalem ionu lahko določite glede na skupino periodnega sistema, v katerem je element. Na primer, natrij je v skupini 1 in tvori kation s +1 nabojem. Magnezij je v skupini 2 in po izgubi dveh elektronov zaradi ionizacije tvori kation z nabojem +2. Aluminij je v skupini 3 in tvori kation +3. Elementi skupine 4 ne tvorijo ionov, elementi višje skupine pa tvorijo anione.
Kako nastajajo anioni?
Anioni nastanejo v nasprotju s kationi. Namesto da izgubijo elektron, lahko nekovinski atomi pridobijo elektron. To je zato, ker je njihova zunanja raven energije skoraj polna. Izraz elektronska afiniteta opisuje težnjo nevtralnih atomov do pridobivanja elektronov. Tako kot ionizacijska energija ima tudi enote energije, vendar ima za razliko od ionizacijske energije negativno vrednost ker se energija sprosti ob dodajanju elektronov, medtem ko se absorbira, ko so elektroni odstranjena.
Na splošno imajo elementi v višjih skupinah (tisti bolj desno na periodnem sistemu) višjo afiniteto do elektronov, in elementi v višji vrsti svojih skupin (naprej proti vrhu periodnega sistema) imajo višji elektron afinitete. Zmanjšanje afinitete do elektronov med premikanjem navzdol po določenem stolpcu je povezano s povečano razdaljo med zunanjimi lupinami in jedrom ter zaščito pred drugimi elektroni z nižjo energijo ravni. Povečanje afinitete med premikanjem od leve proti desni je zato, ker se nivo energije približuje polni zasedenosti.
Kar zadeva katione, vam skupina elementov pove, kakšen naboj bo ustrezen anion. Rezultat naboja je številka skupine minus osem. Klor v skupini 7 tvori anion z -1 nabojem, kisik v skupini 6 pa kation z -2 nabojem.