De flesta atomer och molekyler som vi stöter på är elektriskt neutrala, men joner spelar en viktig roll i naturen. Dessa laddade atomer kan vara positivt laddade katjoner eller negativt laddade anjoner. Katjoner och anjoner bildas på olika sätt. För katjoner lämnar förlusten av en elektron dem med en nettoladdning, medan för anjoner lämnar tillägget av en elektron dem med en negativ nettoladdning. Förstå processerna bakom detta, inklusive joniseringsenergin och elektronaffiniteten hos olika atomer, hjälper dig att se varför vissa atomer blir joner lättare än andra och vad som orsakar det hända.
TL; DR (för lång; Läste inte)
Katjoner är positivt laddade joner som bildas när en atom förlorar en elektron genom jonisering. Mängden energi som krävs för att göra detta kallas joniseringsenergi
Anjoner är negativt laddade joner som bildas när en atom får en elektron. Energin i denna process kallas elektronaffiniteten.
Vad är en jon?
Atomer har tre huvudkomponenter: protoner, elektroner och neutroner. Neutroner är elektriskt neutrala, och även om de spelar en viktig roll i kärnfysik, så är de är inte relevanta för bildandet av joner eftersom de inte påverkar laddningen av den atom de befinner sig i. Protoner är positivt laddade och de upptar atomens centrala kärna tillsammans med neutronerna. Elektroner är den negativt laddade delen av atomen, och de upptar ett "moln" runt utsidan av kärnan. Elektroner och protoner har samma men motsatta laddningar, och i de naturliga formerna av element finns det lika många av var och en i en atom. Detta innebär att element är elektriskt neutrala eftersom laddningarna från protonerna och elektronerna tar bort varandra.
En jon är en laddad atom. Om en atom får en elektron uppväger den negativa laddningen den positiva laddningen och hela atomen får en negativ laddning. Dessa joner kallas anjoner. Om atomen förlorar en elektron finns det mer positiv laddning än negativ laddning och atomen som helhet blir en positivt laddad jon. Detta kallas en katjon.
Hur bildas katjoner?
Katjoner bildas när en neutral atom förlorar en elektron. Metaller är benägna att förlora elektroner som ett resultat av arrangemanget av elektroner runt kärnan. Elektroner upptar olika orbitaler runt kärnan, och dessa kan grupperas i olika energinivåer. En elektron i en orbital med hög energinivå är längre bort från kärnan. Atomer med en fullständig yttre energinivå är stabila, men om det finns ett litet antal elektroner i den yttre energinivån är de benägna att förlora elektroner. Elektronerna i de fulla energinivåerna "skyddar" mycket av den positiva laddningen från kärnan. Som ett resultat är de yttre elektronerna bara svagt bundna till kärnan.
Katjoner bildas genom joniseringsprocessen när tillräcklig energi ges till elektronen (med ljus med tillräckligt hög energi, till exempel) för att ta bort den från kärnans attraktion. Den energi som krävs för att göra detta kallas joniseringsenergin. Den första joniseringsenergin berättar hur mycket energi du behöver för att ta bort en elektron; den andra joniseringsenergin berättar hur mycket som krävs för att ta bort den andra, och så vidare.
Du kan räkna ut laddningen på den resulterande jonen baserat på gruppen av det periodiska systemet elementet är i. Till exempel är natrium i grupp 1 och det bildar en katjon med en +1 laddning. Magnesium är i grupp 2 och bildar en katjon med en +2 laddning efter att ha förlorat två elektroner till jonisering. Aluminium är i grupp 3 och bildar en +3-katjon. Grupp 4-element bildar inte joner och element i högre grupp bildar istället anjoner.
Hur bildas anjoner?
Anjoner bildas genom motsatt process till katjoner. Istället för att förlora en elektron kan icke-metalliska atomer få en elektron. Detta beror på att deras yttre energinivå är nästan full. Termen elektronaffinitet beskriver tendensen för neutrala atomer att få elektroner. Liksom joniseringsenergi har den enheter av energi, men till skillnad från joniseringsenergi har den ett negativt värde eftersom energi frigörs när elektroner tillsätts, medan den absorberas när elektroner är det tog bort.
I allmänhet har element i högre grupper (de längre till höger på det periodiska systemet) högre elektronaffiniteter, och element i en högre rad i sina grupper (längre uppe i det periodiska systemet) har högre elektron affiniteter. Minskningen i elektronaffinitet när du flyttar ner en viss kolumn är relaterad till det ökade avståndet mellan de yttre skalen och kärnan, liksom avskärmningen från de andra elektronerna i lägre energi nivåer. Ökningen i affinitet när du rör dig från vänster till höger beror på att energinivåerna närmar sig att vara helt ockuperade.
När det gäller katjoner berättar gruppen för elementet vilken laddning motsvarande anjon kommer att vara. Den resulterande laddningen är gruppnummer minus åtta. Klor, i grupp 7, bildar en anjon med −1 laddning och syre, i grupp 6, bildar en katjon med −2 laddning.
