Ион

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Поиск источников:  «Ион»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( сентябрь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение-шаблон )

Ионов ( / aɪ ɒ н , - ən / ) ^[1] является частица , атом или молекула с чистым электрическим зарядом .

Заряд электрона условно считается отрицательным. Отрицательный заряд иона равен заряженному протону (ам), который считается положительным, и противоположен ему. Чистый заряд иона отличен от нуля из-за того, что общее количество электронов в нем не равно общему количеству протонов .

Катион представляет собой положительно заряженный ион с меньшим количеством электронов , чем протоны в то время как анион имеет отрицательный заряд с большим количеством электронов , чем протоны, из - за их противоположные электрические заряды; катионы и анионы притягиваются друг к другу и легко образуют ионные соединения .

Ионы, состоящие только из одного атома, называются атомарными или одноатомными ионами , тогда как два или более атомов образуют молекулярные ионы или многоатомные ионы . В случае физической ионизации в жидкости (газе или жидкости) «ионные пары» создаются спонтанными столкновениями молекул, где каждая образованная пара состоит из свободного электрона и положительного иона. ^[2] Ионы также создаются химическими взаимодействиями, такими как растворение соли в жидкостях, или другими способами, такими как пропускание постоянного тока через проводящий раствор, растворение анода посредством ионизации .

История открытия [ править ]

Слово ion происходит от греческого слова ἰόν, ion , «идущий», причастия настоящего слова ναι, ienai , «идти». Этот термин был введен (по предложению английского эрудита Уильяма Уэвелла ) ^[3] английским физиком и химиком Майклом Фарадеем в 1834 году для тогда еще неизвестного вида, переходящего от одного электрода к другому через водную среду. ^{[4] [5]}Фарадей не знал природы этих разновидностей, но он знал, что поскольку металлы растворяются и входят в раствор на одном электроде, а новый металл выходит из раствора на другом электроде; что какое-то вещество прошло через раствор в токе. Это переносит материю из одного места в другое. В соответствии с Фарадеем, Уэвелл также придумал слова анод и катод , а также анион и катион как ионы, которые притягиваются к соответствующим электродам. ^[3]

Сванте Аррениус в своей диссертации 1884 года представил объяснение того факта, что твердые кристаллические соли при растворении диссоциируют на парные заряженные частицы, за что он получил Нобелевскую премию по химии 1903 года. ^[6] Аррениус объяснил, что при образовании раствора соль диссоциирует на ионы Фарадея, он предположил, что ионы образуются даже при отсутствии электрического тока. ^{[7] [8] [9]}

Характеристики [ править ]

Ионы в своем газоподобном состоянии обладают высокой реакционной способностью и будут быстро взаимодействовать с ионами противоположного заряда с образованием нейтральных молекул или ионных солей. Ионы также образуются в жидком или твердом состоянии, когда соли взаимодействуют с растворителями (например, водой) с образованием сольватированных ионов , которые более стабильны, по причинам, связанным с изменением энергии и энтропии, когда ионы удаляются друг от друга, чтобы взаимодействуют с жидкостью. Эти стабилизированные виды чаще встречаются в окружающей среде при низких температурах. Типичным примером являются ионы, присутствующие в морской воде, полученные из растворенных солей.

Как заряженные объекты, ионы притягиваются к противоположным электрическим зарядам (от положительного к отрицательному и наоборот) и отталкиваются одинаковыми зарядами. Когда они движутся, их траектории могут отклоняться магнитным полем .

Электроны из-за их меньшей массы и, следовательно, большей способности заполнять пространство как материальные волны , определяют размер атомов и молекул, которые вообще обладают какими-либо электронами. Таким образом, анионы (отрицательно заряженные ионы) больше, чем родительская молекула или атом, поскольку избыточный электрон (ы) отталкивает друг друга и увеличивает физический размер иона, поскольку его размер определяется его электронным облаком . Катионы меньше соответствующего родительского атома или молекулы из-за меньшего размера электронного облака. Один конкретный катион (катион водорода) не содержит электронов и, следовательно, состоит из одного протона - намного меньше, чем родительский атом водорода.

Анионы и катионы [ править ]

Поскольку электрический заряд протона по величине равен заряду электрона, чистый электрический заряд иона равен количеству протонов в ионе минус количество электронов.

Анион (-) ( / æ п ˌ aɪ . Ən / ), от греческого слова ἄνω ( Ano ), что означает «вверх», ^[10] представляет собой ион с большим количеством электронов , чем протонов, придавая ей отрицательный заряд ( поскольку электроны заряжены отрицательно, а протоны - положительно). ^[11]

Катион (+) ( / к æ т ˌ aɪ . Ən / ), от греческого слова κάτω ( Kato ), что означает «вниз», ^[12] представляет собой ион с меньшим количеством электронов , чем протонов, придавая ему положительный заряд. ^[13]

Есть дополнительные названия, используемые для ионов с несколькими зарядами. Например, ион с зарядом -2 известен как дианион, а ион с зарядом +2 известен как дикион . Цвиттерион является нейтральной молекулой с положительными и отрицательными зарядами в различных местах в пределах этой молекулы. ^[14]

Катионы и анионы измеряются по их ионному радиусу, и они различаются по относительному размеру: «Катионы маленькие, большинство из них менее 10 ^-10 м ( ^10-8 см) в радиусе. Но большинство анионов имеют большие размеры , что и является наиболее распространенным. Анион Земли, кислород . Из этого факта очевидно, что большая часть пространства кристалла занята анионом и что катионы помещаются в промежутки между ними ». ^[15]

Термины анион и катион (для ионов, которые перемещаются соответственно к аноду и катоду во время электролиза) были введены Майклом Фарадеем в 1834 году .

Природные явления [ править ]

Ионы вездесущи в природе ^{[ необходима цитата ]} и ответственны за различные явления, от люминесценции Солнца до существования ионосферы Земли . Атомы в их ионном состоянии могут иметь цвет, отличный от нейтральных атомов, и поэтому поглощение света ионами металлов дает цвет драгоценных камней . Как в неорганической, так и в органической химии (включая биохимию) взаимодействие воды и ионов чрезвычайно важно ^{[ необходима цитата ]} ; примером является энергия, которая приводит к распаду аденозинтрифосфата ( АТФ ) ^{[ требуется пояснение ]}. В следующих разделах описываются контексты, в которых ионы занимают видное место; они расположены в уменьшающейся физической шкале длины, от астрономической до микроскопической.

Связанные технологии [ править ]

Ионы можно получить нехимическим способом с использованием различных источников ионов , обычно с использованием высокого напряжения или температуры. Они используются во множестве устройств, таких как масс-спектрометры , оптико-эмиссионные спектрометры , ускорители частиц , ионные имплантеры и ионные двигатели .

В качестве реактивных заряженных частиц они также используются для очистки воздуха путем уничтожения микробов и в бытовых предметах, таких как детекторы дыма .

Поскольку передача сигналов и метаболизм в организмах контролируются точным ионным градиентом через мембраны , нарушение этого градиента способствует гибели клеток. Это обычный механизм, используемый природными и искусственными биоцидами , включая грамицидин и амфотерицин ( фунгицид ) с ионными каналами .

Растворенные неорганические ионы являются компонентом общих растворенных твердых веществ , широко известным показателем качества воды .

Обнаружение ионизирующего излучения [ править ]

Ионизирующее воздействие излучения на газ широко используется для обнаружения таких излучений, как альфа , бета , гамма и рентгеновские лучи . Исходный акт ионизации в этих приборах приводит к образованию «ионной пары»; положительный ион и свободный электрон в результате воздействия излучения на молекулы газа. Ионизационной камеры является самым простым из этих детекторов, и собирает все заряды , созданные прямой ионизации в газе за счет применения электрического поля. ^[2]

И трубка Гейгера-Мюллера, и пропорциональный счетчик используют явление, известное как лавина Таунсенда, для умножения эффекта первоначальной ионизации посредством каскадного эффекта, при котором свободным электронам от электрического поля передается энергия, достаточная для высвобождения дополнительных электронов за счет ионный удар.

Химия [ править ]

Обозначение заряженного состояния [ править ]

При написании химической формулы иона его суммарный заряд записывается в верхнем индексе сразу после химической структуры молекулы / атома. Сумма нетто-заряда указывается перед знаком; то есть двухзарядный катион обозначается как 2+ вместо +2 . Однако для однозарядных молекул / атомов величина заряда опускается; например, катион натрия обозначается как Na ^+, а не как Na ¹⁺ .

Альтернативный (и приемлемый) способ показать молекулу / атом с несколькими зарядами - это нарисовать знаки несколько раз, это часто наблюдается с переходными металлами. Химики иногда обводят знак; это просто орнамент и не меняет химического значения. Все три представления Fe²⁺
, Fe ⁺⁺ и Fe ^⊕⊕, показанные на рисунке, поэтому эквивалентны.

Одноатомные ионы иногда также обозначают римскими цифрами, особенно в спектроскопии ; например, Fe²⁺
приведенный выше пример обозначается как Fe ( II ) или Fe ^II . Римская цифра обозначает формальную степень окисления элемента, в то время как индо-арабские цифры с индексом обозначают чистый заряд. Таким образом, эти два обозначения можно заменить на одноатомные ионы, но римские цифры нельзя применять к многоатомным ионам. Однако можно смешивать обозначения для отдельного металлического центра с многоатомным комплексом, как показано на примере иона уранила.

Подклассы [ править ]

Если ион содержит неспаренные электроны , он называется ион- радикалом . Ионы-радикалы, как и незаряженные радикалы, очень реактивны. Многоатомные ионы, содержащие кислород, такие как карбонат и сульфат, называются оксианионами . Молекулярные ионы, которые содержат по крайней мере одну связь углерода с водородом, называются органическими ионами . Если заряд в органическом ионе формально центрирован на углероде, его называют карбокатионом (если заряжен положительно) или карбанионом (если заряжен отрицательно).

Формирование [ править ]

Образование одноатомных ионов [ править ]

Одноатомные ионы образуются в результате приобретения или потери электронов на валентной оболочке (самой внешней электронной оболочке) в атоме. Внутренние оболочки атома заполнены электронами, которые прочно связаны с положительно заряженным атомным ядром и поэтому не участвуют в таком химическом взаимодействии. Процесс получения или потери электронов нейтральным атомом или молекулой называется ионизацией .

Атомы можно ионизировать путем бомбардировки излучением , но более обычный процесс ионизации, встречающийся в химии, - это перенос электронов между атомами или молекулами. Этот перенос обычно обусловлен достижением стабильных («закрытых») электронных конфигураций. Атомы будут получать или терять электроны в зависимости от того, какое действие требует наименьшей энергии.

Например, атом натрия Na имеет один электрон в валентной оболочке, окружающий 2 стабильные заполненные внутренние оболочки из 2 и 8 электронов. Поскольку эти заполненные оболочки очень стабильны, атом натрия имеет тенденцию терять свой лишний электрон и достигать этой стабильной конфигурации, становясь при этом катионом натрия.

Na → Na⁺
+
е^-

С другой стороны, атом хлора , Cl, имеет 7 электронов в валентной оболочке, что на один меньше стабильной заполненной оболочки с 8 электронами. Таким образом, атом хлора имеет тенденцию получать дополнительный электрон и достигать стабильной 8-электронной конфигурации, становясь при этом хлорид-анионом:

Cl +
е^-
→ Cl^-

Эта движущая сила заставляет натрий и хлор подвергаться химической реакции, в которой «лишний» электрон передается от натрия к хлору, образуя катионы натрия и анионы хлора. Будучи противоположно заряженными, эти катионы и анионы образуют ионные связи и объединяются с образованием хлорида натрия , NaCl, более известного как поваренная соль.

Na⁺
+ Cl^-
→ NaCl

Образование многоатомных и молекулярных ионов [ править ]

Многоатомные и молекулярные ионы часто образуются за счет получения или потери элементарных ионов, таких как протон, H⁺
, в нейтральных молекулах. Например, когда аммиак , NH
₃, принимает протон, H⁺
- процесс, называемый протонированием - он образует ион аммония , NH⁺
₄. Аммиак и аммоний имеют одинаковое количество электронов в практически одинаковой электронной конфигурации , но у аммония есть дополнительный протон, который придает ему чистый положительный заряд.

Аммиак также может потерять электрон, чтобы получить положительный заряд, образуя ион NH⁺
₃. Однако этот ион нестабилен, потому что у него неполная валентная оболочка вокруг атома азота, что делает его очень реактивным ион- радикалом .

Из-за нестабильности ион-радикалов многоатомные и молекулярные ионы обычно образуются путем приобретения или потери элементарных ионов, таких как H⁺
, а не приобретать или терять электроны. Это позволяет молекуле сохранять свою стабильную электронную конфигурацию, приобретая электрический заряд.

Потенциал ионизации [ править ]

Энергия требуется , чтобы отделить электрон в самом низком энергетическом состоянии из атома или молекул газа с менее чистым электрическим зарядом, называется потенциал ионизации , или энергия ионизации . Энергия n- й ионизации атома - это энергия, необходимая для отделения его n- го электрона после того, как первые n - 1 электронов уже были отделены.

Каждая последующая энергия ионизации заметно больше предыдущей. Особенно большое увеличение происходит после того, как любой данный блок атомных орбиталей исчерпывается электронами. По этой причине ионы имеют тенденцию формироваться таким образом, чтобы они оставались с полными орбитальными блоками. Например, у натрия есть один валентный электрон на внешней оболочке, поэтому в ионизированной форме он обычно встречается с одним потерянным электроном, как Na⁺
. С другой стороны периодической таблицы, хлор имеет семь валентных электронов, поэтому в ионизированной форме он обычно находится с одним приобретенным электроном, так как Cl^-
. У цезия самая низкая измеренная энергия ионизации из всех элементов, а у гелия - самая большая. ^[16] В общем, энергия ионизации металлов намного ниже, чем энергия ионизации неметаллов , поэтому, как правило, металлы теряют электроны с образованием положительно заряженных ионов, а неметаллы приобретают электроны с образованием отрицательно заряженных ионов.

Ионная связь [ править ]

Ионная связь - это своего рода химическая связь, которая возникает из-за взаимного притяжения противоположно заряженных ионов. Ионы с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга, а ионы с противоположным зарядом притягиваются друг к другу. Следовательно, ионы обычно не существуют сами по себе, а связываются с ионами противоположного заряда, образуя кристаллическую решетку . Полученное соединение называется ионным соединением и, как говорят, удерживается вместе за счет ионной связи . В ионных соединениях возникают характерные расстояния между соседними ионами, из которых можно определить пространственную протяженность и ионный радиус отдельных ионов.

Наиболее распространенный тип ионной связи наблюдается в соединениях металлов и неметаллов (за исключением благородных газов , которые редко образуют химические соединения). Металлы характеризуются небольшим количеством электронов, превышающим стабильную электронную конфигурацию с замкнутой оболочкой. Таким образом, они имеют тенденцию терять эти лишние электроны для достижения стабильной конфигурации. Это свойство известно как электроположительность . Неметаллы, с другой стороны, характеризуются наличием электронной конфигурации всего на несколько электронов от стабильной конфигурации. Таким образом, они имеют тенденцию получать больше электронов для достижения стабильной конфигурации. Эта тенденция известна как электроотрицательность.. Когда сильно электроположительный металл комбинируется с сильно электроотрицательным неметаллом, лишние электроны от атомов металла передаются электронно-дефицитным атомам неметалла. В результате этой реакции образуются катионы металлов и анионы неметаллов, которые притягиваются друг к другу с образованием соли .

Общие ионы [ править ]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]