Іони - це заряджені атоми і атомні групи. Поняття про іонні реакції та загін іонів

Іони - це заряджені атоми і атомні групи. Поняття про іонні реакції та загін іонів

Вперше термін "іон" "був введений в 1834 році, в чому заслуга Майкла Фарадея. Після вивчення дії електричного струму на розчини солей, лужів і кислот він дійшов 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 - аноду.

Дана термінологія застосовується і зараз, а частинки вивчаються далі, що дозволяє розглядати хімічну реакцію як результат електростатичної взаємодії. Багато реакцій 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 в розчинах, завжди знаходяться у вигляді іонів.

Номенклатура і класифікація іонів

Іони - це заряджені атоми або група атомів, яка в ході хімічної реакції втратила або придбала електрони. Вони складають зовнішні шари атома і можуть губитися через низьку силу тяжіння ядра. Тоді результатом від 'єднання електрону 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 частинка.

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

Механізм освіти іонів

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

В іонних реакціях, де різниця електроотрицательности між атомами досить велика, один атом може забирати електрони зовнішнього шару в іншого атома. Тоді створений зв 'язок сильно поляризується і розривається. Витрачена на це енергія, яка створює заряд іону, 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 та хімії

Фізики і 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 в практичній діяльності. По-третє, в кристалах і розчинах іони поводяться по-різному. І, по-четверте, іони дозволяють проводити електричний струм, а фізико-хімічні властивості розчинів змінюються залежно 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 тяжіння і 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. Через це проста поварена сіль і в холодній і гарячій воді розчиняється майже з однаковою швидкістю.

У розчині теж не існує цільної молекули хлориду натрію. Кожен з іонів тут оточується діполями 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 стадійність хімічної реакції.

Ті продукти, які виходять в кінці, не утворюються відразу в ході взаємодії, а поступово синтезуються з проміжних продуктів. Вивчення іонів дозволило зрозуміти, що реакція протікає якраз 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 з зарядом + 1. Він обумовлює кисле середовище розчинів і середовищ, що важливо для функціонування біологічних систем і організмів.

Іони можуть мати як позитивні, так і негативні заряди. Завдяки цьому в розчинах кожна частинка вступає в електростатичну взаємодію з діполями води, що також створює умови для життя і передачі сигналів клітинами. Більш того, в іонні технології розвиваються далі. Наприклад, створені іонні двигуни, якими оснащувалося вже 7 космічних місій NASA.