2.4: Jony i ładunki jonowe

W zwykłych reakcjach chemicznych jądro — które zawiera protony i neutrony każdego atomu, i w ten sposób identyfikuje pierwiastek — pozostaje niezmienione. Elektrony można jednak dodawać do atomów poprzez przeniesienie z innych atomów, utracić poprzez przeniesienie do innych atomów lub współdzielić z innymi atomami. Przenoszenie i dzielenie elektronów między atomami reguluje chemię pierwiastków. Podczas tworzenia niektórych związków atomy zyskują lub tracą elektrony, tworząc elektrycznie naładowane cząstki zwane jonami.

Kiedy atom traci elektrony, tworzy jon dodatni zwany kationem. Kationy mają więcej protonów niż elektronów. Podobnie, gdy atom zyskuje elektrony, tworzy jon ujemny zwany anionem. Aniony mają więcej elektronów niż protonów.

Układ okresowy pomaga przewidzieć, czy atom utworzy anion, czy kation, a także jaki będzie ładunek powstałego jonu. Poruszając się od skrajnej lewej do prawej strony układu okresowego, atomy metali z grupy głównej tracą wystarczającą ilość elektronów, aby pozostawić je z taką samą liczbą elektronów, jak atom poprzedzającego gazu szlachetnego. Tworzą one kationy o ładunku równym liczbie grupowej. Aby to zilustrować, atom metalu alkalicznego (grupa 1) traci jeden elektron i tworzy kation o ładunku 1+; metal ziem alkalicznych (grupa 2) traci dwa elektrony i tworzy kation o ładunku 2+, i tak dalej. Na przykład obojętny atom wapnia zawierający 20 protonów i 20 elektronów łatwo traci dwa elektrony. Daje to kation z 20 protonami, 18 elektronami i ładunkiem 2+. Ma taką samą liczbę elektronów jak atomy poprzedniego gazu szlachetnego, argonu, i jest symbolizowany jako Ca2+. Nazwa jonu metalu jest taka sama jak nazwa atomu metalu, z którego się składa, dlatego Ca2+ nazywany jest jonem wapnia.

Poruszając się od skrajnej prawej do lewej strony układu okresowego, atomy pierwiastków niemetalicznych zazwyczaj zyskują wystarczającą liczbę elektronów, aby zapewnić im tę samą liczbę elektronów, co atom następnego gazu szlachetnego w układzie okresowym. Tworzą aniony o ładunku ujemnym równym liczbie grup przesuniętych w lewo od gazów szlachetnych. Na przykład atomy pierwiastków z grupy 17 (jedna grupa na lewo od gazów szlachetnych) zyskują jeden elektron i tworzą aniony o ładunku 1-; atomy pierwiastków z grupy 16 (pozostały dwie grupy) zyskują dwa elektrony i tworzą jony o ładunku 2-, i tak dalej. Na przykład obojętny atom bromu, mający 35 protonów i 35 elektronów, może zyskać jeden elektron, aby aby łącznie otrzymać 36 elektronów. Daje to anion z 35 protonami, 36 elektronami i ładunkiem 1-. Ma on taką samą liczbę elektronów, jak atomy następnego gazu szlachetnego, kryptonu, i jest symbolizowany jako Br−.

Trend między ładunkiem jonu, a pozycją grupy w układzie okresowym może w wielu przypadkach służyć jako wskazówka. Jednak jego wartość predykcyjna maleje w miarę przesuwania się w stronę środka układu okresowego. Metale przejściowe i niektóre inne metale często wykazują zmienne ładunki, których nie można przewidzieć na podstawie ich położenia w tabeli. Na przykład, miedź może tworzyć jony o ładunku 1+ lub 2+, a żelazo może tworzyć jony o ładunku 2+ lub 3+.

Atomy to neutralne cząstki o równej liczbie protonów i elektronów. Pierwiastek jest zdefiniowany przez liczbę protonów, która się nie zmienia; Jednak wiele atomów może zyskać lub stracić jeden lub więcej elektronów, aby stać się naładowaną cząstką.

Kiedy atom lub cząsteczka zyskuje lub traci elektrony, nazywa się to jonem. Elektrony, mając znacznie mniejszą masę niż protony, nie przyczyniają się znacząco do masy atomowej. Dlatego masa atomowa jonu jest zasadniczo taka sama jak masa atomowa atomu neutralnego.

Kiedy atomy lub cząsteczki tracą elektrony, nazywa się je kationami. Kationy mają ładunek dodatni, ponieważ mają więcej protonów, które mają ładunek dodatni, niż elektronów, które mają ładunek ujemny. Kationy otrzymują taką samą nazwę jak ich pierwiastek, po którym następuje słowo jon.

Atom wapnia ma 20 protonów i 20 elektronów. Traci dwa elektrony, aby stać się jonem  wapnia z 20 protonami i 18 elektronami.  Ponieważ ma teraz dwa ładunki dodatnie więcej niż ujemne, ma ogólny ładunek dodatni dwa. 

Symbol chemiczny jonu jest zapisywany jako symbol chemiczny atomu z ładunkiem zapisanym w prawej pozycji indeksu górnego. Symbol chemiczny jonu wapnia jest zatem zapisywany jako Ca²⁺.

Kiedy atomy lub cząsteczki zyskują elektrony, nazywa się je anionami. Aniony mają ładunek ujemny, ponieważ mają więcej elektronów niż protonów. Nazwy anionów są dodawane przez dodanie sufiksu "-ide" do nazwy ich elementu.

Atom fluoru ma 9 protonów i 9 elektronów. Fluor zyskuje jeden elektron, stając się jonem fluorkowym z 9 protonami i 10 elektronami. Ponieważ ma teraz o jeden ładunek ujemny więcej niż ładunek dodatni, ma ogólny ładunek ujemny.

Symbol chemiczny fluoru jest zapisywany jako F⁻.  Ten jest zwykle pomijany dla jonów o dodatnim lub ujemnym ładunku.

Atomy tracą lub zyskują określoną liczbę elektronów podczas tworzenia jonu. Wiele ładunków jonów utworzonych przez główne pierwiastki grupy można przewidzieć za pomocą układu okresowego pierwiastków. 

Metale po lewej stronie układu okresowego stracą elektrony. Wszystkie metale alkaliczne grupy 1 tracą jeden elektron i mają dodatni jeden ładunek, gdy stają się jonem. Metale ziem alkalicznych z grupy 2 tracą dwa elektrony i mają dodatni ładunek dwu. 

Niemetale, po prawej stronie układu okresowego pierwiastków, zyskają elektrony. Halogeny z grupy 17 zyskują jeden elektron i mają ładunek ujemny. Grupy 16 pierwiastków zyskują dwa elektrony i będą miały ujemny ładunek dwu.

Wiele metali przejściowych może tworzyć kationy o różnych ładunkach. Gazy szlachetne z grupy 18 na ogół nie tworzą jonów.