Ион представляет собой электрически заряженную частицу. При этом ион может иметь как положительный электрический заряд , так и отрицательный. В первом случае его называют катионом , а во втором – анионом .
Ионом может быть атом, молекула или свободный радикал, если, конечно же, они имеют какой-либо заряд. Кстати заряд иона не может быть бесконечно мал, а частица, которой он представлен – элементарной.
Ионы также являются химически активными частицами, так что могут вступать в реакцию как с другими частицами (не заряженными), так и между собой.
Ионы, как самостоятельные частицы, встречаются практически везде. Они есть в атмосфере, в различных жидкостях, в твердых веществах и даже в межзвездном пространстве, где воздуха или какого-то вещества в принципе крайне мало.
История
Впервые понятие «ион» ввел известный ученый Майкл Фарадей в 1834 году. Изучая распространение электричества в различных средах, он предположил, что электрическая проводимость некоторых из них может быть вызвана наличием в этих средах и веществах неких электрически заряженных частиц. Вот он и назвал их ионами. Ученый также ввел понятия катионов и анионов. Так как положительные ионы движутся к отрицательно заряженному электроду – катоду, он назвал их катионами. Отрицательные же ионы двигаются наоборот – к аноду, значит они должны называться анионами.
Ио́ны (от греч. ion - идущий), электрически заряженные частицы, образующиеся в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов (или других заряженных частиц) к атому, молекуле, радикалу или другому иону. Положительно заряженные ионы называются катионами , отрицательно заряженные ионы - анионами . Термин предложен М. Фарадеем в 1834 г.
Ионы обозначают химическим символом с индексом, расположенным вверху справа. Индекс указывает знак и величину заряда, т. е. кратность иона, в единицах заряда электрона. При потере или приобретении атомом 1, 2, 3... электронов образуются, соответственно, одно-, двух- и трЕхзарядные ионы (см. Ионизация), например Na + , Ca 2+ , Al 3+ , Cl - , SO 4 2- .
Атомные ионы обозначают также химическим символом элемента с римскими цифрами, указывающими кратность иона, в этом случае римские цифры являются спектроскопическими символами и их значение больше величины заряда на единицу, т. е. NI означает нейтральный атом N, обозначение иона NII означает однократно заряженный ион N + , NIII означает N 2+ .
Последовательность ионов различных химических элементов, содержащих одинаковое число электронов, образует изоэлектронный ряд.
Ионы могут входить в состав молекул веществ, образуя молекулы благодаря ионной связи . В виде самостоятельных частиц, в несвязанном состоянии, ионы встречаются во всех агрегатных состояниях вещества - в газах (в частности, в атмосфере), в жидкостях (в расплавах и в растворах), в кристаллах. В жидкостях, в зависимости от природы растворителя и растворенного вещества, ионы могут существовать бесконечно долго, например, ион Na + в водном растворе поваренной соли NaCl. Соли в твердом состоянии обычно образуют ионные кристаллы . Кристаллическая решетка металлов состоит из положительно заряженных ионов, внутри которой находится «электронный газ». Энергия взаимодействия атомных ионов может быть вычислена с помощью различных приближенных методов, учитывающих межатомное взаимодействие .
Образование ионов происходит в процессе ионизации. Для удаления электрона из нейтрального атома или молекулы необходимо затратить определенную энергию, которая называется энергией ионизации. Энергия ионизации, отнесенная к заряду электрона, называется ионизационным потенциалом. Сродство к электрону - характеристика, противоположная энергии ионизации, и показывает величину энергии связи дополнительного электрона в отрицательном ионе.
Нейтральные атомы и молекулы ионизируются под действием квантов оптического излучения, рентгеновского и g-излучения, электрического поля при столкновении с другими атомами, частицами и т. д.
В газах ионы образуются в основном под действием ударов частиц большой энергии или при фотоионизации под действием ультрафиолетовых, рентгеновских и g-лучей (см. Ионизирующие излучения). Образовавшиеся таким путем ионы в обычных условиях недолговечны. При высокой температуре ионизация атомов и ионов (термическая ионизация, т. е. термическая диссоциация с отделением электрона) может происходить также как равновесный процесс , в котором степень ионизации возрастает с повышением температуры и с понижением давления. Газ переходит при этом в состояние плазмы .
Ионы в газах играют большую роль во многих явлениях. В природных условиях ионы образуются в воздухе под действием космических лучей, солнечного излучения или электрического разряда (молнии). Присутствие ионов, их вид и концентрация влияют на многие физические свойства воздуха, на его физиологическую активность.
Сделай дома (или в школьном кружке) такой опыт. Возьми электрическую батарейку и проводами присоедини её к лампочке от карманного фонаря. Через лампочку пойдёт ток, она зажжётся. Затем разрежь один провод и опусти его концы в стакан с водой. Лампочка не будет гореть,- значит, тока нет. Теперь насыпь в стакан обыкновенную соль. Когда соль растворится, лампочка снова зажжётся. Значит, как только вода превратилась в раствор соли, через него пошёл ток. А почему?
Ты уже, наверно, слышал (а если нет, прочитай в этой книге рассказ « »), что в атоме вокруг ядра вращаются . А почему они держатся в атоме и не улетают прочь?
Возьми камень и покрути на верёвке над головой. Чувствуешь, камень всё время стремится улететь, а его удерживает верёвка.
И в атоме есть своя «верёвка». Это , электрические заряды. Ядро атома заряжено положительно, электроны - отрицательно. Такие разноименные, как их называют, заряды притягивают друг друга. Это притяжение удерживает электроны возле ядра.
Но если сильно раскрутить камень на тонкой верёвке, он оторвётся и улетит. И электрон может оторваться. Например, при резком столкновении атомов. Всё равно как гроздь винограда: встряхнёшь - и ягодка упадёт.
А что же произойдёт при этом с самим атомом? Когда электрон оторвался, атом стал положительно заряженным.
Улетевший электрон может в пути встретить другой атом и «прилипнуть» к нему. Тогда этот атом станет отрицательно заряженным.
Вот такие заряженные атомы называются ионами.
Терять или приобретать электроны могут не только отдельные атомы, но и группы атомов - . Они тоже при этом превращаются в ионы, а само превращение называется ионизацией.
Если газ сильно нагреть, его атомы станут двигаться с огромной быстротой и при столкновениях будет отрываться много электронов. Газ станет ионизированным.
Различные вещества ионизируются под действием радиоактивного излучения. А на высоте в сотни километров над Землёй ионы возникают под действием особых лучей Солнца. Этот слой атмосферы так и называется - ионосфера.
Многие твёрдые вещества также состоят из ионов. Например, соль. Когда она растворяется в воде, ионы расходятся. Как только в воде появились эти заряженные частицы, они стали переносить электричество от одного конца провода к другому и раствор начал пропускать электрический ток.
На движении ионов основано действие многих приборов и аппаратов, созданных человеком, например или электрической батарейки. И в природе ионы играют важную роль. В каждой клеточке твоего тела движется множество разных ионов. Ты катаешься на лыжах или пишешь диктант - это работают ионы. И сейчас ты читаешь нашу книгу, а в клетках твоего мозга движутся ионы. Если бы не они, ты бы не мог думать, не мог бы учиться, читать, не узнал бы о том, что такое ионы.
Впервые термин "ион" был введен в 1834 году, в чем заслуга Майкла Фарадея. После изучения действия электрического тока на растворы солей, щелочей и кислот он пришел к выводу, что в них содержатся частицы, имеющие некий заряд. Катионами Фарадей назвал ионы, которые в электрическом поле двигались к катоду, имеющему отрицательный заряд. Анионы - отрицательно заряженные неэлементарные ионные частицы, которые в электрическом поле движутся к плюсу - аноду.
Данная терминология применяется и сейчас, а частицы изучаются далее, что позволяет рассматривать химическую реакцию как результат электростатического взаимодействия. Многие реакции протекают по этому принципу, что позволило понять их ход и подобрать катализаторы и ингибиторы для ускорения их протекания и для угнетения синтеза. Также стало известно, что многие вещества, особенно в растворах, всегда находятся в виде ионов.
Номенклатура и классификация ионов
Ионы - это заряженные атомы или группа атомов, которая в ходе химической реакции потеряла или приобрела электроны. Они составляют внешние слои атома и могут теряться из-за низкой силы притяжения ядра. Тогда результатом отсоединения электрона является положительный ион. Также если атом имеет сильный ядерный заряд и узкую электронную оболочку, ядро является акцептором дополнительных электронов. В результате этого образуется отрицательная ионная частица.
Сами ионы - это не только атомы с избыточной или недостаточной электронной оболочкой. Это может быть и группа атомов. В природе чаще всего существуют именно групповые ионы, которые присутствуют в растворах, биологических жидкостях тел организмов и в морской воде. Имеется огромное количество видов ионов, названия которых вполне традиционны. Катионы - это ионные частицы, заряженные положительно, а заряженные отрицательно ионы - это анионы. В зависимости от состава их называют по-разному. Например, катион натрия, катион цезия и другие. Анионы называются по-другому, так как чаще всего состоят из многих атомов: сульфат-анион, ортофосфат-анион и другие.
Механизм образования ионов
Химические элементы в составе соединений редко являются электрически нейтральными. То есть они почти никогда не находятся в состоянии атомов. В образовании ковалентной связи, которая считается самой распространенной, атомы также имеют некий заряд, а электронная плотность смещается вдоль связей внутри молекулы. Однако заряд иона здесь не формируется, потому как энергия ковалентной связи меньше, нежели энергия ионизации. Потому, несмотря на различную электроотрицательность, одни атомы не могут полностью притянуть электроны внешнего слоя других.
В ионных реакциях, где разница электроотрицательности между атомами достаточно большая, один атом может забирать электроны внешнего слоя у другого атома. Тогда созданная связь сильно поляризуется и разрывается. Затраченная на это энергия, которая создает заряд иона, называется энергией ионизации. Для каждого атома она различная и указывается в стандартных таблицах.
Ионизация возможна только в том случае, когда атом или группа атомов способен либо отдавать электроны, либо акцептировать их. Чаще всего это наблюдается в растворе и кристаллах солей. В кристаллической решетке также присутствуют почти неподвижные заряженные частицы, лишенные кинетической энергии. А поскольку в кристалле нет возможности для передвижения, то реакция ионов протекают чаще всего в растворах.
Ионы в физике и химии
Физики и химики активно изучают ионы по нескольким причинам. Во-первых, эти частицы присутствуют во всех известных агрегатных состояниях вещества. Во-вторых, энергию отрыва электронов от атома можно измерить, чтобы использовать это в практической деятельности. В-третьих, в кристаллах и растворах ионы ведут себя по-разному. И, в-четвертых, ионы позволяют проводить электрический ток, а физико-химические свойства растворов меняются в зависимости от концентраций ионов.
Ионные реакции в растворе
Сами растворы и кристаллы следует рассмотреть детальнее. В кристаллах солей существуют отдельно расположенные положительные ионы, к примеру, катионы натрия и отрицательные, анионы хлора. Структура кристалла удивительна: за счет сил электростатического притяжения и отталкивания ионы ориентируются особым образом. В случае с хлоридом натрия они образуют так называемую алмазную кристаллическую решетку. Здесь каждый натриевый катион окружен 6 хлоридными анионами. В свою очередь, каждый хлоридный анион окружает 6 анионов хлора. Из-за этого простая поваренная соль и в холодной и горячей воде растворяется почти с одинаковой скоростью.
В растворе тоже не существует цельной молекулы хлорида натрия. Каждый из ионов здесь окружается диполями воды и хаотично передвигается в ее толще. Наличие зарядов и электростатических взаимодействий приводит к тому, что солевые растворы воды замерзают при температуре чуть меньше нуля, а кипят при температуре выше 100 градусов. Более того, если в растворе присутствуют другие вещества, способные вступить в химическую связь, то реакция протекает не с участием молекул, а ионов. Это создало учение о стадийности химической реакции.
Те продукты, которые получаются в конце, не образуются сразу в ходе взаимодействия, а постепенно синтезируются из промежуточных продуктов. Изучение ионов позволило понять, что реакция протекает как раз по принципам электростатических взаимодействий. Их результатом является синтез ионов, которые электростатически взаимодействуют с другими ионами, создавая конечный равновесный продукт реакции.
Резюме
Такая частица, как ион, это электрически заряженный атом или группа атомов, которая получается в ходе потери или приобретения электронов. Самым простым ионом является водородный: если он теряет один электрон, то представляет собой лишь ядро с зарядом +1. Он обуславливает кислую среду растворов и сред, что важно для функционирования биологических систем и организмов.
Ионы могут иметь как положительные, так и отрицательные заряды. За счет этого в растворах каждая частица вступает в электростатическое взаимодействие с диполями воды, что также создает условия для жизни и передачи сигналов клетками. Более того, в ионные технологии развиваются дальше. К примеру, созданы ионные двигатели, которыми оснащалось уже 7 космических миссий NASA.
