Іони – це заряджені атоми і атомні групи. Поняття про іонних реакціях і заряд іонів

Вперше термін "іон" був введений в 1834 році, у чому заслуга Майкла Фарадея. Після вивчення дії електричного струму на розчини солей, лугів і кислот він прийшов до висновку, що в них містяться частинки, що мають якийсь заряд. Катіонами Фарадей назвав іони, які в електричному полі рухалися до катода, що має негативний заряд. Аніони - негативно заряджені неелементарні іонні частинки, які в електричному полі рухаються до плюса - анода.




Дана термінологія застосовується і зараз, а частинки вивчаються далі, що дозволяє розглядати хімічну реакцію як результат електростатичної взаємодії. Багато реакції протікають за цим принципом, що дозволило зрозуміти їх хід і підібрати каталізатори та інгібітори для прискорення їх протікання і для пригнічення синтезу. Також стало відомо, що багато речовин, особливо у розчинах, завжди знаходяться у вигляді іонів.

Номенклатура і класифікація іонів

Іони - це заряджені атоми або група атомів, яка в ході хімічної реакції втратила або набула електрони. Вони складають зовнішні шари атома і можуть втрачатися з-за низької сили тяжіння ядра. Тоді результатом від'єднання електрона є позитивний іон. Також якщо атом має сильний ядерний заряд і вузьку електронну оболонку, ядро є акцептором додаткових електронів. В результаті цього утворюється негативна іонна частка.




Самі іони - це не тільки атоми з надмірною або недостатньою електронною оболонкою. Це може бути і група атомів. У природі найчастіше існують саме групові іони, які присутні в розчинах, біологічних рідинах тел організмів і в морській воді. Є величезна кількість видів іонів, назви яких цілком традиційні. Катіони - це іонні частинки, заряджені позитивно, а негативно заряджені іони - це аніони. Залежно від складу їх називають по-різному. Наприклад, катіон натрію, катіон цезію та інші. Аніони називаються по-іншому, так як найчастіше складаються з багатьох атомів: сульфат-аніон, ортофосфат-аніон та інші.

Механізм утворення іонів

Хімічні елементи в складі сполук рідко є електрично нейтральними. Тобто вони майже ніколи не перебувають у стані атомів. В освіті ковалентного зв'язку, яка вважається найпоширенішою, атоми також мають якийсь заряд, а електронна щільність зміщується вздовж зв'язків усередині молекули. Однак заряд іона тут не формується, тому як енергія ковалентного зв'язку менше, ніж енергія іонізації. Тому, незважаючи на різну электроотрицательность, одні атоми не можуть повністю притягнути електрони зовнішнього шару інших.




В іонних реакціях, де різниця електронегативності між атомами досить велика, один атом може забирати електрони зовнішнього шару у іншого атома. Тоді створена зв'язок сильно поляризується і розривається. Витрачена на це енергія, яка створює заряд іона, називається енергією іонізації. Для кожного атома вона різна і вказується в стандартних таблицях. Іонізація можлива тільки в тому випадку, коли атом або група атомів здатний або віддавати електрони, або акцептувати їх. Найчастіше це спостерігається в розчині і кристалах солей. У кристалічній решітці також присутні майже нерухомі заряджені частинки, позбавлені кінетичної енергії. А оскільки в кристалі немає можливості для пересування, то реакція іонів протікають найчастіше в розчинах.

Іони у фізиці і хімії

Фізики та хіміки активно вивчають іони з кількох причин. По-перше, ці частинки присутні у всіх відомих агрегатних станах речовини. По-друге, енергію відриву електронів від атома можна виміряти, щоб використовувати це у практичній діяльності. По-третє, в кристалах і розчинах іони ведуть себе по-різному. І, по-четверте, іони дозволяють проводити електричний струм, а фізико-хімічні властивості розчинів змінюються в залежності від концентрацій іонів.

Іонні реакції в розчині

Самі розчини і кристали слід розглянути детальніше. У кристалах солей існують окремо розташовані позитивні іони, наприклад, катіони натрію і негативні, аніони хлору. Структура кристала дивовижна: за рахунок сил електростатичного притягання й відштовхування іони орієнтуються особливим чином. У випадку з хлоридом натрію вони утворюють так звану алмазну кристалічну решітку. Тут кожен натрієвий катіон оточений 6 хлоридними аніонами. У свою чергу, кожен хлоридний аніон оточує 6 аніонів хлору. З-за цього проста кухонна сіль і в холодній і гарячій воді розчиняється майже з однаковою швидкістю. У розчині теж не існує цілісної молекули хлориду натрію. Кожен з іонів тут оточується диполями води і хаотично пересувається в її товщі. Наявність зарядів і електростатичних взаємодій призводить до того, що сольові розчини води замерзають при температурі трохи менше нуля, а киплять при температурі вище 100 градусів. Більш того, якщо в розчині присутні інші речовини, здатні вступити в хімічний зв'язок, то реакція протікає не за участю молекул, а іонів. Це створило вчення про стадійності хімічної реакції. Ті продукти, які отримуються в кінці, не утворюються у ході взаємодії, а поступово синтезуються з проміжних продуктів. Вивчення іонів дозволило зрозуміти, що реакція протікає як раз за принципами електростатичних взаємодій. Їх результатом є синтез іонів, які електростатично взаємодіють з іншими іонами, створюючи кінцевий рівноважний продукт реакції.

Резюме

Така частинка, як іон, це електрично заряджений атом або група атомів, яка виходить в ході втрати або придбання електронів. Найпростішим іоном є водневий: якщо він втрачає один електрон, то являє собою лише ядро із зарядом +1. Він зумовлює кислу середу розчинів і середовищ, що важливо для функціонування біологічних систем і організмів. Іони можуть мати як позитивні, так і негативні заряди. За рахунок цього в розчинах кожна частинка набуває електростатичне взаємодія з диполями води, що також створює умови для життя та передачі сигналів клітинами. Більш того, у іонні технології розвиваються далі. Приміром, створені іонні двигуни, якими оснащувалося вже 7 космічних місій NASA.