2.4: Ioni e cariche ioniche

Nelle reazioni chimiche ordinarie, il nucleo, che contiene i protoni e i neutroni di ciascun atomo e quindi identifica l’elemento, rimane invariato. Gli elettroni, tuttavia, possono essere aggiunti agli atomi tramite trasferimento da altri atomi, persi durante il trasferimento ad altri atomi o condivisi con altri atomi. Il trasferimento e la condivisione degli elettroni tra gli atomi governano la chimica degli elementi. Durante la formazione di alcuni composti, gli atomi acquistano o perdono elettroni per formare particelle caricate elettricamente, chiamate ioni.

Quando un atomo perde elettroni forma uno ione positivo, chiamato catione. I cationi hanno più protoni che elettroni. Allo stesso modo, quando un atomo acquista elettroni forma uno ione negativo, chiamato anione. Gli anioni hanno più elettroni che protoni.

La tavola periodica aiuta a prevedere se un atomo formerà un anione o un catione, e anche la carica dello ione risultante. Muovendosi dall'estrema sinistra verso destra nella tavola periodica, gli atomi dei metalli del gruppo principale perdono abbastanza elettroni da lasciare loro lo stesso numero di elettroni di un atomo del gas nobile precedente. Formano cationi con carica pari al numero del gruppo. Per esempio, un atomo di un metallo alcalino (Gruppo 1) perde un elettrone e forma un catione con carica 1+; un metallo alcalino terroso (Gruppo 2) perde due elettroni e forma un catione con carica 2+, e così via. Ad esempio, un atomo di calcio neutro, con 20 protoni e 20 elettroni, perde facilmente due elettroni. Ciò si traduce in un catione con 20 protoni, 18 elettroni e una carica 2+. Ha lo stesso numero di elettroni degli atomi del gas nobile precedente, l'argon, ed è simboleggiato da Ca^2+. Il nome di uno ione metallico è lo stesso del nome dell'atomo di metallo da cui si forma, quindi Ca^2+ è chiamato ione calcio.

Muovendosi dall'estrema destra verso sinistra nella tavola periodica, gli atomi degli elementi non metallici generalmente guadagnano abbastanza elettroni da dare loro lo stesso numero di elettroni di un atomo del gas nobile successivo nella tavola periodica. Formano anioni con carica negativa pari al numero dei gruppi spostati a sinistra dai gas nobili. Ad esempio, gli atomi degli elementi del gruppo 17 (un gruppo a sinistra dei gas nobili) acquistano un elettrone e formano anioni con carica 1−; gli atomi degli elementi del gruppo 16 (due gruppi a sinistra) acquistano due elettroni e formano ioni con carica 2−, e così via. Ad esempio, l'atomo neutro di bromo, con 35 protoni e 35 elettroni, può guadagnare un elettrone per fornirgli 36 elettroni. Ciò si traduce in un anione con 35 protoni, 36 elettroni e carica 1−. Ha lo stesso numero di elettroni degli atomi del successivo gas nobile, il kripton, ed è simboleggiato da Br^−.

In molti casi l'andamento tra la carica dello ione e la posizione del gruppo sulla tavola periodica può essere utilizzato come guida. Tuttavia, il suo valore predittivo diminuisce quando ci si sposta verso il centro della tavola periodica. I metalli di transizione e alcuni altri metalli spesso presentano cariche variabili che non sono prevedibili in base alla loro posizione nella tabella. Ad esempio, il rame può formare ioni con carica 1+ o 2+, mentre il ferro può formare ioni con carica 2+ o 3+.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 2.6: Molecular and Ionic Compounds.

Gli atomi sono particelle neutre con un numero uguale di protoni ed elettroni. Un elemento è definito dal numero di protoni, che non cambia;tuttavia, molti atomi possono guadagnare o perdere uno o più elettroni per diventare una particella carica. Quando un atomo o una molecola guadagna o perde elettroni, viene chiamato ione.

Gli elettroni, essendo di massa molto più piccola dei protoni, non contribuiscono in modo significativo alla massa atomica. Pertanto, la massa atomica di uno ione è essenzialmente la stessa della massa atomica dell'atomo neutro. Quando gli atomi o le molecole perdono elettroni, vengono chiamati cationi.

I cationi hanno una carica positiva perché hanno più protoni, che possiedono una carica positiva, rispetto agli elettroni, che hanno una carica negativa. Ai cationi viene dato lo stesso nome del loro elemento, seguito dalla parola ione. Un atomo di calcio ha 20 protoni e 20 elettroni.

Perde due elettroni per diventare uno ione calcio con 20 protoni e 18 elettroni. Poiché ora ha due cariche positive in più rispetto alle cariche negative, ha una carica complessiva di due positività. Il simbolo chimico di uno ione è scritto come il simbolo chimico dell'atomo, con la carica scritta in apice a destra.

Il simbolo chimico di uno ione di calcio è quindi scritto come C-a-due più. Quando gli atomi o le molecole guadagnano elettroni, sono chiamati anioni. Gli anioni hanno una carica negativa perché possiedono più elettroni che protoni.

Gli anioni vengono denominati aggiungendo il suffisso ide al nome dell'elemento. Un atomo di fluoro ha 9 protoni e 9 elettroni. Il fluoro guadagna un elettrone per diventare uno ione fluoruro con 9 protoni e 10 elettroni.

Poiché ora ha una carica negativa in più rispetto alle cariche positive, ha una carica complessiva negativa. Il simbolo chimico del fluoro è scritto come F meno;esso é solitamente omesso per gli ioni con una carica positiva o negativa. Gli atomi perderanno o guadagneranno un numero specifico di elettroni quando formano uno ione.

Molte delle cariche per gli ioni formate dai principali elementi del gruppo possono essere previste utilizzando la tavola periodica. I metalli, sul lato sinistro della tavola periodica, perderanno elettroni. I metalli alcalini del gruppo 1 perdono tutti un elettrone e hanno una carica positiva quando diventano uno ione.

I metalli alcalino-terrosi del gruppo 2 perdono due elettroni e hanno due cariche positive. I non metalli, sul lato destro della tavola periodica, guadagneranno elettroni. Gli alogeni del gruppo 17 guadagnano un elettrone e hanno una carica negativa.

I gruppi 16 elementi guadagnano due elettroni e avranno una carica negativa di due. Molti metalli di transizione possono formare cationi con cariche diverse. I gas nobili del gruppo 18 generalmente non formano ioni.