2.4: Ионы и ионные заряды

В обычных химических реакциях ядро, содержащее протоны и нейтроны каждого атома и таким образом идентифицирующее его элемент, остается неизменным. Электроны, однако, могут быть добавлены к атомам путем передачи из других атомов, потеряны при передаче другим атомам или разделены с другими атомами. Химия элементов регулируется передачей и обменом электронами между атомами. Во время образования некоторых соединений атомы приобретают или теряют электроны, образуя электрически заряженные частицы, называемые ионами.

Когда атом теряет электроны, он образует положительный ион, называемый катионом. Катионы имеют больше протонов, чем электронов. Аналогично, когда атом получает электроны, он образует отрицательный ион, называемый анионом. Анионы имеют больше электронов, чем протонов.

Периодическая таблица помогает предсказать, будет ли атом образовывать анион или катион, а также заряд получившегося иона. Перемещаясь от крайнего левого к правому краю по периодической таблице, атомы металлов основной группы теряют достаточно электронов, чтобы оставить их с таким же количеством электронов, как атом предшествующего благородного газа. Они образуют катионы с зарядом, равным номеру группы. На иллюстрации атом щелочного металла (группа 1) теряет один электрон и образует катион с зарядом 1+; щелочноземельный металл (группа 2) теряет два электрона и образует катион с зарядом 2+, и так далее. Например, нейтральный атом кальция с 20 протонами и 20 электронами легко теряет два электрона. Это приводит к появлению катиона с 20 протонами, 18 электронами и зарядом 2+. Он имеет то же количество электронов, что и атомы предшествующего благородного газа, аргона, и является обозначается символом Ca²⁺. Название иона металла совпадает с названием атома металла, из которого он образуется, поэтому Ca²⁺ называется ионом кальция.

Перемещаясь от крайнего правого к левому краю по периодической таблице, атомы неметаллических элементов обычно получают достаточно электронов, чтобы приобрести то же количество электронов, что и атом следующего благородного газа в периодической таблице. Они образуют анионы с отрицательным зарядом, равным числу групп, на которое они сдвинуты влево от благородных газов. Например, атомы элементов группы 17 (на одну группу левее благородных газов) получают один электрон и образуют анионы с зарядом 1− атомы элементов группы 16 (на две группы левее) получают два электрона и образуют ионы с зарядом 2− и так далее. Например, нейтральный атом брома, с 35 протонами и 35 электронами, может получить один электрон, чтобы обеспечить его 36 электронами. Это приводит к аниону с 35 протонами, 36 электронами и зарядом 1−. Он имеет то же количество электронов, что и атомы следующего благородного газа, криптона, и обозначается как Br⁻.

Во многих случаях в качестве ориентира можно использовать тенденцию между зарядом иона и положением группы на периодической таблице. Тем не менее, прогнозируемое значение уменьшается при перемещении к центру периодической таблицы. Переходные металлы и некоторые другие металлы часто имеют переменные заряды, которые не предсказуемы по своему расположению в таблице. Например, медь может образовывать ионы с зарядом 1+ или 2+, а железо может образовывать ионы с зарядом 2+ или 3+.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2e, раздел 2.6: Молекулярные и ионные соединения.

Атомы это нейтральные частицы с равным количеством протонов и электронов. Элемент определяется количеством протонов, которое не меняется;однако многие атомы могут принять или отдать один или несколько электронов, чтобы стать заряженной частицей. Когда атом или молекула принимает или отдает электроны, он называется ионом.

Электроны, будучи намного меньшими по массе, чем протоны, не вносят значительного вклада в атомную массу. Следовательно, атомная масса иона по существу такая же, как атомная масса нейтрального атома. Когда атомы или молекулы отдают электроны, их называют катионами.

Катионы имеют положительный заряд, потому что у них больше протонов с положительным зарядом, чем электронов с отрицательным зарядом. Катионы имеют то же название, что и их элемент, перед которым находится слово ион. Атом кальция состоит из 20 протонов и 20 электронов.

Он теряет два электрона и превращается в ион кальция с 20 протонами и 18 электронами. Поскольку теперь у него на два положительных заряда больше, чем отрицательных, его общий заряд равен двум. Химический символ иона записывается как химический символ атома с зарядом в правом верхнем индексе.

Поэтому химический символ иона кальция записывается как Ca-два плюс. Когда атомы или молекулы принимают электроны, их называют анионами. Анионы имеют отрицательный заряд, потому что в них больше электронов, чем протонов.

Названия одноатомных анионов получаются добавлением суффикса ид"к названию их элемента. Атом фтора состоит из 9 протонов и 9 электронов. Когда фтор принимает один электрон, он становится фторид-ионом с 9 протонами и 10 электронами.

Поскольку теперь у него на один отрицательный заряд больше, чем положительных, его общий заряд равен минус одному. Химический символ фторида записывается как F минус. Для ионов с положительным или отрицательным зарядом обычно не пишут единицу.

При образовании иона атомы отдают или принимают определенное количество электронов. Многие из зарядов ионов, образованных элементами основной группы, можно предсказать с помощью периодической таблицы Менделеева. Металлы в левой части таблицы Менделеева отдают электроны.

Все щелочные металлы 1-й группы отдают один электрон и имеют один положительный заряд, когда становятся ионами. Щелочноземельные металлы 2-й группы отдают два электрона и имеют два положительных заряда. Неметаллы в правой части таблицы Менделеева будут принимать электроны.

Галогены 17-й группы принимают один электрон и имеют один отрицательный заряд. Элементы 16-й группы принимают два электрона и будут иметь два отрицательных заряда. Многие переходные металлы могут образовывать катионы с различным зарядом.

Благородные газы 18-й группы обычно не образуют ионы.