Poliatomske čestice koje nose električni naboj. Naboj jona je višekratnik elementarnog električnog naboja i uvijek je cijeli broj. Naboj jednoatomnog jona hemijski element poklapa se po broju i predznaku sa stanjem oksidacije ovog elementa; naboj poliatomskog jona jednak je algebarskom zbiru oksidacionih stanja elemenata, uzimajući u obzir broj njihovih atoma. Pozitivno nabijeni ioni (na primjer, K +, Ca 2+, ΝΗ + 4) nazivaju se kationi (od grčkog κατιών - silazeći), negativno nabijeni ioni (na primjer, Cl -, SO 4 2-, CH 3 COO - ) - anioni (od grčkog ανιών - ići gore). Proces stvaranja jona naziva se jonizacija. Termine "jon", "kation" i "anion" uveo je 1834. M. Faraday, koji je proučavao djelovanje električno polje za vodene rastvore raznih hemijska jedinjenja. U stalnom električnom polju kationi se kreću do negativno nabijene elektrode (katode), anioni - do pozitivno nabijene elektrode (anode).

U obliku nezavisnih čestica, joni mogu postojati u svima agregatna stanja tvari: u plinovima (vidi Joni u plinovima, Joni u atmosferi), u kristalima (vidi Jonski kristali), u plazmi, u tekućinama - u topljenima (vidi Jonske tečnosti) iu otopinama (vidi Elektrolitička disocijacija). Joni su strukturne jedinice hemijskih jedinjenja sa jonskim hemijska veza. Takve veze u čvrsto stanje, taline i rastvori sastoje se od kationa i anjona; na primjer, natrijum hlorid NaCl - od Na + kationa i Cl - anjona, kalijum acetat CH 3 COOK - od K + kationa i CH3COO - anjona. Neka jedinjenja sa polarnim kovalentna veza(na primjer, klorovodik HCl) kada se otopi u vodi i drugi polarni rastvarači disociraju u ione. Ovisno o prirodi otapala i otopljene tvari, ioni sadržani u otopinama mogu ili stupiti u interakciju s molekulama otapala, što rezultira formiranjem solvatne ljuske oko iona, ili biti dovoljno blizu da formiraju ionske parove.

Joni nastaju kada se elektroni odvoje od atoma i molekula u gasnoj fazi (u ovom slučaju se troši energija ionizacije) ili kao rezultat vezivanja elektrona za takve atome i molekule (u ovom slučaju potrošena ili oslobođena energija je afinitet atoma ili molekula prema elektronu). Dodavanje jona jednostavnog sastava neutralnom molekulu ili drugom ionu također dovodi do stvaranja iona. Na primjer, kada je ion H + vezan za molekul vode H 2 O, dobija se hidronijev ion H 3 O +. Formiranje jona je moguće prilikom razaranja molekula kao rezultat izlaganja toploti ili zračenju. Kada se ion formira, ukupni početni naboj čestica koje učestvuju u ovom procesu uvijek je očuvan (ako su ioni formirani od neutralnih atoma ili molekula, tada je ukupni naboj svih jona nula). Neki molekuli koji se nalaze u otopinama ili kristalima, iako ostaju općenito električno neutralni, sadrže suprotno nabijene grupe u različitim područjima (vidi Zwitterion). Kompleks koji se sastoji od nekoliko neutralnih atoma ili molekula i jona je klaster ion.

Hemijske reakcije u otopini (ili talini) uz sudjelovanje ionskih spojeva nastaju zbog kretanja iona u ovom mediju i stvaranja novih neutralnih čestica ili složenijih iona. U živim organizmima joni su uključeni u različite metaboličke procese, regulaciju mišićnih kontrakcija, prijenos nervnih impulsa itd. (vidi, na primjer, članak Ionske pumpe).

Lit.: Krestov GA Termodinamika ionskih procesa u otopinama. L., 1984.

I on- monoatomska ili poliatomska električno nabijena čestica tvari, nastala kao rezultat gubitka ili pristupanja atoma u molekulu jednog ili više elektrona.

Naboj jona je višekratnik naboja elektrona. Pojam i termin "ion" uveo je 1834. Michael Faraday, koji je proučavajući radnju električna struja na vodenim rastvorima kiselina, lužina i soli, sugeriše da je električna provodljivost takvih rastvora posledica kretanja jona. Pozitivno nabijeni joni koji se kreću u otopini do negativnog pola (katode), nazvao je Faraday katjoni, i negativno nabijena, krećući se prema pozitivnom polu (anodi) - anjoni.

Svojstva jona određuju se:

1) znak i veličinu njihovog naboja;
2) struktura jona, odnosno raspored elektrona i jačina njihovih veza, pri čemu su posebno važni spoljni elektroni;
3) njihove veličine određene radijusom orbite vanjskog elektrona.
4) čvrstoća elektronske ljuske (deformabilnost jona).

U obliku nezavisnih čestica, joni se nalaze u svim agregatnim stanjima materije: u plinovima (posebno u atmosferi), u tekućinama (u topljenjima i otopinama), u kristalima i u plazmi (posebno u međuzvjezdanom prostoru) .

Budući da su kemijski aktivne čestice, ioni reagiraju s atomima, molekulama i međusobno. U otopinama ioni nastaju kao rezultat elektrolitičke disocijacije i određuju svojstva elektrolita.

Broj elementarnih električnih naboja jona u rastvorima skoro uvek se poklapa sa valencijom datog atoma ili grupe; joni gasa mogu imati različit broj elementarnih naboja. Pod uticajem dovoljno energetskih uticaja ( toplota, visokofrekventno zračenje, elektroni velika brzina) mogu se formirati pozitivni ioni sa različitim brojem elektrona, do golih jezgara. Pozitivni ioni su označeni znakom + (plus) ili tačkom (na primjer, Mg ***, Al +++), negativni ioni znakom - (minus) ili "(Cl -, Br"). znakova označava broj viška elementarnih naboja. Najčešće se ioni formiraju sa stabilnim vanjskim elektronskim omotačima koji odgovaraju ljusci plemenitog plina. Ioni od kojih se grade kristali, te ioni koji se nalaze u otopinama i rastvaračima sa visokim dielektričnim konstantama, uglavnom pripadaju ovoj vrsti, na primjer, alkalni i zemnoalkalni metali, halogenidi itd. Međutim, postoje i tzv. prijelazni ioni, u kojima vanjske ljuske sadrže od 9 do 17 elektrona; ovi ioni mogu relativno lako preći u ione drugačijeg tipa i značaja (na primjer, Fe - -, Cu" itd.).

Hemijska i fizička svojstva

Hemijska i fizička svojstva jona oštro se razlikuju od svojstava neutralnih atoma, nalikujući u mnogo čemu svojstvima atoma drugih elemenata koji imaju isti broj elektrona i istu vanjsku elektronsku ljusku (na primjer, K" podsjeća na Ar, F " - Ne). Jednostavni ioni, kao što pokazuje valna mehanika, imaju sferni oblik. Dimenzije jona karakteriziraju se vrijednošću njihovih polumjera, koji se mogu odrediti empirijski iz podataka rendgenske analize kristala (Goldschmidt) ili izračunati teoretski metodama talasna mehanika(Pauliig) ili statistika (Fermi). Rezultati dobijeni oba metoda daju sasvim zadovoljavajuće slaganje. Brojna svojstva kristala i rastvora određena su radijusima jona od kojih se sastoje; u kristalima, ova svojstva su energija kristalne rešetke i, u velikoj mjeri, njen tip; u otopinama ioni polariziraju i privlače molekule rastvarača, formirajući ljuske promjenjivog sastava, ova polarizacija i snaga veze između jona i molekula rastvarača određuju se gotovo isključivo radijusima i nabojima jona. Koliko je jako djelovanje jonskog polja na molekule rastvarača pokazuju proračuni Zwickyja koji je otkrio da se molekuli vode nalaze u blizini jona pod pritiskom od oko 50.000 atm. Čvrstoća (deformabilnost) spoljašnjeg elektronskog omotača zavisi od stepena vezivanja spoljašnjih elektrona i određuje uglavnom optička svojstva jona (boja, refrakcija). Međutim, boja jona je povezana i sa stvaranjem jona različitih jedinjenja sa molekulima rastvarača. Teorijski proračuni efekata povezanih s deformacijom elektronskih ljuski su teži i manje opskrbljeni od proračuna sila interakcije između jona. Razlozi za stvaranje jona u rastvorima nisu tačno poznati; najvjerovatnije mišljenje je da se molekule rastvorljivih supstanci razbijaju na jone molekularnim poljem rastvarača; heteropolarni, tj. kristali izgrađeni od jona, očigledno daju ione odmah nakon rastvaranja. Vrijednost molekularnog polja rastvarača potvrđuje se kao da je paralelizam između dielektrične konstante rastvarača, koja je približna mjera napona njegovog molekularnog polja, i stepena disocijacije (Nernst-Thomsonovo pravilo, eksperimentalno potvrdio Walden). Međutim, jonizacija se javlja i u supstancama s niskom dielektričnom konstantom, ali se ovdje otapaju pretežno elektroliti, dajući kompleksne ione. Kompleksi se ponekad formiraju od jona otopljene supstance, ponekad u njihovom nastanku učestvuje i rastvarač. Za supstance sa niskim dielektričnim konstantama, formiranje kompleksnih jona je takođe karakteristično kada se dodaju neelektroliti, na primer (C 2 H 5) 0Br 3 daje, kada se pomeša sa hloroformom, provodljiv
sistem. Vanjski znak stvaranja kompleksnih jona je tzv. anomalna električna provodljivost, u kojoj grafikon koji prikazuje ovisnost molarne električne provodljivosti o razrjeđenju daje maksimum u području koncentriranih otopina i minimum u daljnjem razrjeđivanju.

Nomenklatura Prema hemijskoj nomenklaturi, naziv kationa koji se sastoji od jednog atoma poklapa se s imenom elementa, na primjer, Na + se naziva natrijev ion, ponekad se u zagradi dodaje naboj, na primjer, ime Fe 2 + kation je ion gvožđa (II). Ime se sastoji od jednog atoma, anion se formira od korijena latinskog naziva elementa i sufiksa " -Ja sam uradio“, na primjer, F - se naziva jon fluora.

Gotovo svi su vidjeli reklamu za takozvani "Chizhevsky luster", od kojeg se negativni ioni u zraku kvantitativno povećavaju. Međutim, nakon škole, ne sjećaju se svi točno samih jona - to su nabijene čestice koje su izgubile neutralnost karakterističnu za normalne atome. A sada još malo.

"Pogrešni" atomi

Kao što znate, broj u periodičnoj tablici velikog Mendeljejeva povezan je s brojem protona u jezgru atoma. Zašto ne elektroni? Jer broj i kompletnost elektrona, iako utiče na svojstva atoma, ne određuju njegova osnovna svojstva povezana sa jezgrom. Možda nema dovoljno elektrona, ili ih može biti previše. Joni su samo atomi sa "pogrešnim" brojem elektrona. Štaviše, paradoksalno, oni s nedostatkom elektrona nazivaju se pozitivnima, a višak negativnim.

Malo o imenima

Kako nastaju joni? Ovo je jednostavno pitanje - postoje samo dva načina obrazovanja. Bilo hemijski ili fizički. Rezultat može biti pozitivan ion, koji se često naziva kation, odnosno negativan, anion. Jedan atom ili cijela molekula, koja se također smatra jonom posebnog poliatomskog tipa, može imati manjak ili višak naboja.

Težnja stabilnosti

Ako postoji ionizacija medija, na primjer, plina, tada u njemu postoje kvantitativno proporcionalni omjeri elektrona i pozitivnih iona. Ali takva pojava je rijetka (za vrijeme grmljavine, u blizini plamena), plin u tako izmijenjenom stanju ne postoji dugo. Stoga, generalno, reaktivni zračni joni blizu tla su rijetki. Plin je medij koji se vrlo brzo mijenja. Čim prestane djelovanje jonizujućih faktora, joni se susreću i ponovo postaju neutralni atomi. Ovo je njihovo normalno stanje.

Agresivna tečnost

Joni u velikim količinama mogu biti sadržani u vodi. Činjenica je da su molekule vode čestice u kojima su neravnomjerno raspoređene po molekuli, to su dipoli koji s jedne strane imaju pozitivan naboj, a s druge negativan.

A kada se otopina tvar pojavi u vodi, molekule vode svojim polovima električno djeluju na dodanu tvar, jonizirajući je. Dobar primjer je morska voda, gdje mnoge tvari postoje u obliku jona. To je ljudima poznato od davnina. Iznad određene tačke u atmosferi ima puno jona, ova ljuska se zove ionosfera. uništava stabilne atome i molekule. Čestice u ioniziranom stanju mogu prenijeti na cijelu supstancu. Primjer su svijetle neobične boje dragulja.

Joni su osnova života, jer je osnovni proces dobijanja energije iz ATP-a nemoguć bez stvaranja električnih nestabilnih čestica, a sam zasnovan na interakciji jona i mnogih hemijskih procesa katalizovanih enzimima, nastaje samo usled jonizacije. Nije iznenađujuće da se neke supstance u ovom stanju uzimaju na usta. Klasičan primjer su korisni ioni srebra.

IONI(od grč. ion-ide, lutanje), atomi ili hem. radikali koji nose električnih naboja.-Story. Kao što je Faraday prvi put ustanovio, provođenje električne struje u otopinama je povezano s kretanjem materijalnih čestica koje nose električne naboje. Tvar koja provodi električnu struju - elektrolit - razlaže se na pozitivno i negativno nabijene radikale, koji se privlače djelovanjem elektrostatičkih sila - prvi na katodu, drugi na anodu. Takvi atomi ili atomske grupe(radikali) koji se kreću u otopini i nose električne naboje, Faraday je nazvao jonima: pozitivno nabijeni ioni (kreću se prema katodi) su kationi, negativni su anjoni. Za razliku od metalnih provodnika, kod kojih distribucija električne energije nije povezana s prijenosom i razgradnjom tvari, otopine elektrolita nazivaju se "provodnicima druge vrste". Faraday je vjerovao da samo kada se galvanska struja propušta kroz rješenje djelovanjem vanjskog električne sile dio molekula elektrolita se dijeli na jone. Osnivač teorije elektrolitičke disocijacije Arrhenius (Sv. Arrhenius) je na osnovu ogromnog eksperimentalnog materijala pokazao da se određeni dio molekula elektrolita konstantno disocira na ione, bez obzira da li otopina provodi u ovog trenutka električni struja. Ovo je bio početak koncepta postojanja slobodnih jona u rastvoru kao stabilnog stanja materije. Stepen disocijacije elektrolita, koji pokazuje koji dio njegovih molekula se raspada u I., glavna je vrijednost u Arrheniusovim učenjima koja karakterizira učešće elektrolita u brojnim procesima koji se odvijaju u otopinama. Moderna teorija elektrolitičke disocijacije i aktivnosti elektrolita dalje je razvijena u studijama Bjerrum, Debye i Gyukkel (Bjerrum, Debye, Htickel) i dr. elektrostatičkih interakcija. Utjecaj ovih elektrostatičkih međuionskih sila omogućio je da se objasne mnoge karakteristike otopina elektrolita koje se nisu uklapale u okvire klasične Arrheniusove teorije. Tvorci jonske teorije nisu imali konkretnu ideju o strukturi zračenja i načinu kombinovanja materije i naboja u njoj. Na isti način, glavno svojstvo I., njegova nevjerovatna hem. inertnost u odnosu na odgovarajući neutralni atom. Dakle, atomi natrija burno reaguju sa vodom, razlažući je oslobađanjem vodika; jod daje specifičnu reakciju sa škrobom itd. Ali rastvor NaJ, koji se sastoji od slobodnog I. natrijuma i joda, ne pokazuje nijednu od ovih reakcija sve dok se naboj njegovih jona ne uništi (kao što je slučaj sa elektrolizom). Ova najvažnija svojstva jona mogu se razumjeti samo u svjetlu moderne strukturne teorije. atom(cm.). Ionska struktura. Prema teoriji Rutherforda i Bohra (Rutherford, Bohr), materija je izgrađena od pozitivnih i negativnih električnih naboja. Elementarni pozitivni naboj je proton, koji ima masu atoma vodika, dok je slobodan negativni naboj--elrktron ima 1.800 puta manju masu. Atom je izgrađen od izuzetno malog centralnog pozitivnog jezgra, oko kojeg se - poput planeta koje se kreću oko Sunca - duž složen sistem orbite rotiraju elektrone. Atomsko jezgro se sastoji od protona ili kombinacije protona sa manjim brojem elektrona. Broj pozitivnih naboja jezgro (ili višak pozitivnih naboja nad brojem intranuklearnih elektrona) jednak je broju elektrona koji okružuju jezgro ljuske. I Ovaj broj raste jednoliko za jedan kako se krećemo od H (naboja atomskog jezgra 1) do svakog sljedećeg elementa, prema redoslijedu koji zauzimaju u periodični sistem(cm.). Životna sredina atomsko jezgro elektronska školjka sastoji se od niza uzastopnih slojeva, od kojih svaki sadrži određeni broj elektrona. vanjski sloj može sadržavati do 8 elektrona (izuzetak je prvi elektronski sloj, direktno uz jezgro; najveći broj elektrona u njemu je dva). Ako u vanjskom sloju postoji ukupan "broj elektrona", atom dobiva potpunu strukturu i neobično stabilnu elektronsku konfiguraciju, a shodno tome i potpunu kemijsku inertnost. To su atomi plemenitih plinova čija je kemijska valencija nula. Prelazak na sledeći element periodnog sistema (alkalni metal) znači dodavanje novog elektrona koji se nalazi na novom spoljašnjem elektronskom sloju.Nastavak izgradnje atoma u narednim elementima završava se tek novom stabilnom kombinacijom elektrona sledećeg plemeniti gas Prema Kosselu (Kos-sel), elektronska konfiguracija plemenitog gasa (sa spoljnim slojem od osam elektrona) predstavlja stabilno stanje, atom svakog elementa teži ka prelazu u roju. Ovaj prelaz se ostvaruje gubljenjem ili hvatanjem elektrona koji nedostaju. Najlakše se događa u alkalni metali i halogenidi, od kojih je dovoljno da prvi izgubi, a drugi da dobije jedan elektron, da bi postao kao najbliži plemeniti gas. Slično, za druge elemente, broj elektrona koje moraju izgubiti ili dobiti da bi otkrili ili dovršili vanjski sloj od osam elektrona jednak je maksimalan broj pozitivne ili negativne valencije koje detektuju. U ovom slučaju, međutim, narušena je elektroneutralnost atoma, početna jednakost njegovih pozitivnih i negativnih naboja. Atom se pretvara u pozitivan ili negativan I., a naboj potonjeg odgovara znaku i veličini valenciji odgovarajućeg atoma ili radikala. Elektrostatičko privlačenje suprotno nabijenih I. povezuje ih u heteropolarni molekul. U medijima koji imaju, poput vode, visoku dielektričnu konstantu, djelovanje elektrostatičkih sila je oslabljeno, a heteropolarna molekula se ponovo raspada na svoje ione. Dakle, svaki I. ima elektronska struktura ne atom iz kojeg je nastao, već najbliži plemeniti plin. Od potonjeg se razlikuje samo po svom naboju (i po lakoći s kojom se, gubeći ga, ponovo pretvara u izvorni element). Ova struktura jona u potpunosti objašnjava njegovu najvažniju osobinu, koju je već primijetio Arrhenius: zadivljujuću kemijsku inertnost, koja je karakteristika slobodnog I., za razliku od I od atoma u koji se pretvara kada izgubi naboj. Približavajući se strukturi stabilnog, hemijski inertnog plemenitog gasa, joni se međusobno razlikuju samo po veličini i distribuciji svog električnog naboja, tj. fizička svojstva. Zbog toga predstavljaju objekt prvenstveno fizičkih metoda istraživanja, objekt fizička hemija. Hidratacija i veličine I. Najvažnija fizička. I. svojstva su njegove dimenzije i veličina električne energije. naplatiti. Gustoća naboja također ovisi o odnosu ovih veličina, što je veća, to je manja veličina čestice koja nosi dati naboj. Međutim, ako prema strukturi I., prema njihovoj elektronski modelželjeli bismo da dobijemo predstavu o njima relativna vrijednost, napravili bi ozbiljnu grešku. Joni Li -, Na", K" itd. u vodi sastoje se ne samo od navedenih supstanci, već i od značajne količine molekula vode koji su usko povezani s njima i koji se kreću zajedno. Molekula vode, kao i molekula mnogih drugih tvari, je dipol, na čijim su suprotnim krajevima koncentrirani suprotni naboji (na jednom polu je negativan naboj kisika, a na drugom pozitivan naboj vodika). Takvi dipoli su orijentirani oko nabijene čestice, privlačeći ih svojim suprotnim polom. Kao rezultat, svaki ion u vodenoj otopini je hidratiziran, okružen ljuskom izgrađenom od molekula vode. Što je dalje od centra, ova orijentacija postaje manje točna, postepeno se pretvarajući u haotičnu raspodjelu slobodnih molekula vode. To. Hidrataciju I. uzrokuje njihov električni naboj (Born). Kao rezultat hidratacije, dimenzije I., kao nezavisno pokretne čestice, mogu značajno porasti, a često i joni koji imaju manje atomske dimenzije, kao na primjer. Li, dostižu čak i veću vrijednost od I., formirane od većih atoma, poput K. Iz ovoga slijedi još jedan, ništa manje paradoksalan zaključak, koji je veliki značaj kako bi se razumjeli neki problemi propusnosti stanice: kada se molekula razbije na jone, ovi posljednji (zajedno sa okolnom vodenom oblogom!) mogu biti veći od samog molekula, što ih razdvaja. Mobilnost I. Određena djelovanja su karakteristična za I. uz neutralne molekule. Ovo je osmotski pritisak, koji zavisi samo od kinetičke energije otopljenih čestica. Drugi su zbog električnog naboja koji čini razliku između I. i neutralne molekule. Ova svojstva uključuju električnu provodljivost. Određuje se proizvodom broja jonskih naboja i pokretljivosti impulsa.Svaki impuls se kreće u električnom polju brzinom proporcionalnom sili koja na njega djeluje i obrnuto proporcionalnom otporu na koji naiđe. Ako je razlika potencijala jedan volt po 1 onda jedi brzina kretanja (in cm/sec. na 18°) biće izraženo za nekoliko jona sledećim brojkama: Kation U (cm/s) Anion V (cm/sek.) Na* K" Ag\ NH, 33.0. 10" 3.5.10" 4.6.10" 6.75. 10-* 5.7 .10- "6.7 .10" "OH" SG Br "G br; Mpo; 18.2 .yu-" 6.85.10-" 7.0 .1Q-" 6.95. )