Многоатомные частицы, несущие электрический заряд. Заряд иона кратен элементарному электрическому заряду и всегда целочисленный. Заряд одноатомного иона химического элемента по числу и знаку совпадает со степенью окисления этого элемента; заряд многоатомного иона равен алгебраической сумме степеней окисления элементов с учётом числа их атомов. Положительно заряженные ионы (например, К + , Са 2+ , ΝΗ + 4) называют катионами (от греческого κατιών - идущий вниз), отрицательно заряженные ионы (например, Сl - , SO 4 2- , СН 3 СОО -) - анионами (от греческого ανιών - идущий вверх). Процесс образования ионов называется ионизацией. Термины «ион», «катион» и «анион» ввёл в 1834 году М. Фарадей, изучавший действие электрического поля на водные растворы различных химических соединений. В постоянном электрическом поле катионы перемещаются к отрицательно заряженному электроду (катоду), анионы - к положительно заряженному электроду (аноду).

В виде самостоятельных частиц ионы могут существовать во всех агрегатных состояниях вещества: в газах (смотри Ионы в газах, Ионы в атмосфере), в кристаллах (смотри Ионные кристаллы), в плазме, в жидкостях - в расплавах (смотри Ионные жидкости) и в растворах (смотри Электролитическая диссоциация). Ионы являются структурными единицами химических соединений с ионной химической связью. Такие соединения в твёрдом состоянии, расплавах и растворах состоят из катионов и анионов; например, хлорид натрия NaCl - из катионов Na + и анионов Cl - , ацетат калия СН 3 СООК - из катионов К + и анионов СН3СОО - . Некоторые соединения с полярной ковалентной связью (например, хлороводород НСl) при растворении в воде и других полярных растворителях диссоциируют на ионы. В зависимости от природы растворителя и растворённого вещества, содержащиеся в растворах ионы, могут либо взаимодействовать с молекулами растворителя, в результате чего вокруг ионов формируются сольватные оболочки, либо находиться достаточно близко, образуя ионные пары.

Ионы образуются при отрыве электронов от атомов и молекул, находящихся в газовой фазе (при этом расходуется энергия ионизации), или в результате присоединения электронов к таким атомам и молекулам (энергия, затрачиваемая или высвобождающаяся при этом, - сродство атома или молекулы к электрону). К образованию ионов приводит также присоединение иона простого состава к нейтральной молекуле или другому иону. Например, при присоединении иона Н + к молекуле воды Н 2 О получается ион гидроксония Н 3 О + . Возможно образование ионов при разрушении молекул в результате термического или радиационного воздействия. При образовании иона всегда сохраняется суммарный первоначальный заряд участвующих в этом процессе частиц (если ионы образовались из нейтральных атомов или молекул, то суммарный заряд всех ионов равен нулю). Некоторые молекулы, находящиеся в растворах или кристаллах, оставаясь в целом электронейтральными, содержат в различных участках противоположно заряженные группы (смотри Цвиттер-ионы). Комплекс, состоящий из нескольких нейтральных атомов или молекул и ионов, - кластерный ион.

Химические реакции в растворе (или расплаве) с участием ионных соединений обусловлены перемещением ионов в этой среде и образованием ими новых нейтральных частиц или более сложных ионов. В живых организмах ионы участвуют в различных обменных процессах, регуляции мышечных сокращений, передаче нервных импульсов и т.д. (смотри, например, в статье Ионные насосы).

Лит.: Крестов Г. А. Термодинамика ионных процессов в растворах. Л., 1984.

Ион - одноатомная или многоатомная электрически заряженная частица вещества, образующаяся в результате потери или присоединения атомом в составе молекулы одного или нескольких электронов.

Заряд иона кратен заряду электрона. Понятие и термин «ион» ввел в 1834 году Майкл Фарадей, который, изучая действие электрического тока на водные растворы кислот, щелочей и солей, предположил, что электропроводность таких растворов обусловлена движением ионов. Положительно заряженные ионы, движущиеся в растворе к отрицательному полюсу (катоду), Фарадей назвал катионами , а отрицательно заряженные, движущиеся к положительному полюсу (аноду) - анионами .

Свойства ионов определяются:

1) знаком и величиной их заряда;
2) строением ионов, т. е. расположением электронов и прочностью их связей, причем особенно важны внешние электроны;
3) их размерами, определяемыми радиусом орбиты внешнего электрона.
4) прочностью электронной оболочки (деформируемостью ионов).

В виде самостоятельных частиц ионы встречаются во всех агрегатных состояниях вещества: в газах (в частности, в атмосфере), в жидкостях (в расплавах и растворах), в кристаллах и в плазме (в частности, в межзвездном пространстве).

Являясь химически активными частицами, ионы вступают в реакции с атомами, молекулами и между собой. В растворах ионы образуются в результате электролитической диссоциации и обусловливают свойства электролитов.

Число элементарных электрических зарядов у ионов в растворах почти всегда совпадает с валентностью данного атома или группы; газовые ионы могут иметь и другое число элементарных зарядов. Под влиянием достаточно энергичных воздействий (высокая температура, излучение высокой частоты, электроны большой скорости) могут образоваться положительные ионы с различным числом электронов, вплоть до голых ядер. Положительные ионы обозначаются знаком + (плюс) или точкой (например, Mg***,Аl +++), отрицательные знаком — (минус) или знаком" (Сl - , Br").Число знаков обозначает число избыточных элементарных зарядов. Чаще всего образуются ионы с устойчивыми внешними электронными оболочками, соответствующими оболочке благородных газов. Ионы, из которых построены кристаллы, и ионы, встречающиеся в растворах и растворителях с высокими диэлектрическими постоянными, принадлежат большей частью к этому типу, например щелочные и щелочноземельные металлы, галоиды и т. д. Впрочем встречаются и т. н. переходные ионы, у которых внешние оболочки содержат от 9 до 17 электронов; эти ионы могут переходить сравнительно легко в ионы другого типа и значности (например Fe - - , Си" и т.д.).

Химические и физические свойства

Химические и физические свойства ионов резко отличаются от свойств нейтральных атомов, напоминая во многих отношениях свойства атомов других элементов, имеющих тоже число электронов и ту же внешнюю электронную оболочку (напр. К" напоминает Ar, F"—Ne). Простые ионы, как показывает волновая механика, имеют сферическую форму. Размеры ионы характеризуются величиной их радиусов, которые могут быть определены эмпирически по данным рентгеновского анализа кристаллов (Гольдшмидт) или вычислены теоретически методами волновой механики (Паулииг) или статистики (Ферми). Результаты, полученные обоими методами, дают вполне удовлетворительное совпадение. Целый ряд свойств кристаллов и растворов определяется радиусами ионов, из которых они состоят; у кристаллов этими свойствами являются энергия кристаллической решетки и в значительной степени ее тип; в растворах ионов поляризуют и притягивают молекулы растворителя, образуя оболочки переменного состава, эта поляризация и прочность связи между ионов и молекулами растворителя определяются почти исключительно радиусами и зарядами ионов. Насколько вообще сильно действие поля ионов на молекулы растворителя, показывают вычисления Цвикки, который нашел, что молекулы воды находятся вблизи ионов под давлением порядка 50.000 атм. Прочность(деформируемость) внешней электронной оболочки зависит от степени связанности внешних электронов и обусловливает главным образом оптические свойства ионов (цветность, рефракция). Впрочем цветность ионов связана также и с образованием ионов различных соединений с молекулами растворителя. Теоретические вычисления эффектов, связанных с деформацией электронных оболочек, более затруднительны и менее наделены, чем вычисления сил взаимодействия между ионами. Причины образования ионов в растворах точно неизвестны; наиболее правдоподобно мнение, что молекулы растворимых веществ разрываются на ионы молекулярным нолем растворителя; гетерополярные, т. е. построенные из ионов кристаллы дают повидимому при растворении сразу ионы. Значение молекулярного поля растворителя подтверждается как будто параллелизмом между величиной диэлектрической постоянной растворителя, являющейся приблизительным мерилом напряжения его молекулярного поля, и степенью диссоциации (правило Нернста-Томсона, экспериментально подтвержденное Вальденом). Однако ионизация происходит и в веществах с малыми диэлектрическими постоянными, но здесь растворяются преимущественно электролиты, дающие комплексные ионны. Комплексы образуются иногда из ионов растворяющегося вещества, иногда растворитель также принимает участие в их образовании. Для веществ с малыми диэлектрическими постоянными характерно также образование комплексных ионов при прибавлении не электролитов, например (С 2 Н 5)0Вг 3 дает при смешении с хлороформом проводящую
систему. Внешним признаком образования комплексных ионов служит т. н. аномальная электропроводность, при которой график, изображающий зависимость молярной электропроводности от разведения, дает максимум в области концентрированных растворов и минимум—при дальнейшем разведении.

Номенклатура Согласно химической номенклатуре, название катиона, состоящего из одного атома совпадает с названием элемента, например, Na + называется натрий-ионом, иногда добавляют в скобках заряд, например, название катиона Fe 2+ - железо(II)-ион. Название состоит из одного атома аниона образуется из корня латинского названия элемента и суффикса «-ид/-ид », например, F - называется фторид-ионом.

Практически все видели рекламу так называемой «люстры Чижевского», от которой отрицательные ионы в воздухе увеличиваются количественно. Однако после школы далеко не все точно помнят само Ионы - это заряженные частицы, утратившие свойственную нормальным атомам нейтральность. А теперь немного подробнее.

«Неправильные» атомы

Как вы знаете, номер в таблице великого Менделеева, связан с количеством протонов в ядре атома. Почему же не электронов? Потому что количество и комплектность электронов, хоть и влияет на свойства атома, но не определяет его фундаментальных свойств, связанных с ядром. Электронов может не хватать, а может быть слишком много. Ионы - это как раз атомы с «неправильным» количеством электронов. Причем парадоксальным образом положительными называются имеющие недостаток электронов, а отрицательными - избыток.

Немного о названиях

Как возникают ионы? Это простой вопрос - путей образования всего два. Либо химический путь, либо физический. В результате может получиться положительный ион, который нередко называют катионом, а отрицательный, соответственно, анионом. Дефицит или избыток заряда может иметь атом-одиночка или целая молекула, которая тоже считается ионом особого многоатомного типа.

Стремление к стабильности

Если происходит ионизация среды, к примеру, газа, то в ней существуют количественно пропорциональные соотношения электронов и положительных ионов. Но такое явление встречается редко (во время грозы, возле пламени), газ в таком измененном состоянии существует недолго. Поэтому в целом, близко к земле способные к реакции ионы воздуха - редкость. Газ - среда очень быстро меняющаяся. Как только действие ионизующих факторов прекращается, ионы встречаются друг с другом и вновь становятся нейтральными атомами. Это их нормальное состояние.

Агрессивная жидкость

Ионы в больших количествах могут содержаться в воде. Дело в том, что молекулы воды - частицы, в которых распространен по молекуле неравномерно, они представляют собой диполи, имеющие с одной стороны положительный заряд, с другой - отрицательный.

И когда в воде появляется растворимое вещество, молекулы воды своими полюсами электрически воздействуют на добавленное вещество, ионизируя его. Хорошим примером является морская вода, в которой множество веществ существует в такой форме, как ионы. Это известно людям достаточно давно. В атмосфере выше определенной точки ионов очень много, эта оболочка называется ионосферой. разрушает стабильные атомы и молекулы. Частицы в ионизированном состоянии могут придавать всему веществу. Пример - яркие необычные цвета драгоценных камней.

Ионы - это основа жизни, потому что базовый процесс получения энергии из АТФ невозможен без создания электрически нестабильных частиц, само основано на взаимодействиях ионов и множества химических процессов, катализируемых ферментами, происходит только благодаря ионизации. Неудивительно, что некоторые вещества в этом состоянии человек принимает внутрь. Классический пример - полезные ионы серебра.

ИОНЫ (от греч. ion-идущий,странствующий), атомы или хим. радикалы, несущие электрические заряды.-И с т о р и я. Как установил впервые Фарадей (Faraday), проведение электрического тока в растворах связано с передвижением материальных частиц, несущих электрические заряды. Проводящее электрический ток вещество--электролит- распадается на положительно и отрицательно заряженные радикалы, которые действием электростатических сил притягиваются- первые к катоду, вторые - к аноду. Такие атомы или атомные группы (радикалы), двигающиеся в растворе и переносящие электрические заряды, Фарадей назвал ионами: положительно заряженные ионы (двигающиеся к катоду)-катионами, отрицательные-анионами. В отличие от металлических проводников, в к-рых распространение электричества не связано с пере- носом и разложением вещества, растворы электролитов получили название «проводников второго рода». Фарадей считал, что только при пропускании через раствор гальванического тока действием внешних электрических сил часть молекул электролита расщепляется на ионы. Основатель теории электролитической диссоциации Аррениус (Sv. Arrhenius) на основании огромного экспериментального материала показал, что известная часть молекул электролита постоянно диссоциирована на ионы независимо от того, проводит ли раствор в данный момент электрич. ток. Этим было положено начало представлению о существовании в растворе свободных ионов как стойкого состояния материи. Степень диссоциации /Электролита, указывающая, какая часть его молекул распадается на И., составляет в учении Аррениуса основную величину, характеризующую участие электролита в целом ряде процессов, происходящих в растворах. Дальнейшее развитие современная теория электролитической диссоциации и активности электролитов получила в исследованиях Бьеррума, Дебая и Гюккеля (Bjerrum, De-bye, Htickel) и др. Они показали, что активность электролита помимо определяемого степенью его диссоциации числа свободных И. зависит от возникающих между самими ионами электростатических взаимодействий. Влияние этих электростатических межионных сил позволило объяснить многие особенности растворов электролитов, не укладывавшиеся в рамки классической теории Аррениуса. Творцы ионной теории не имели конкретного представления о структуре И. и о способе соединения в нем материи и заряда. Точно так же не получало достаточного разъяснения основное свойство И.-- его изумительная хим. инертность по сравнению с соответствующим нейтральным атомом. Так, атомы натрия бурно реагируют с водой, разлагая ее с выделением водорода; иод дает специфическую реакцию с крахмалом и т. д. Но раствор NaJ, состоящий из свободных И. натрия и иода, не обнаруживает ни одной из этих реакций до тех пор, пока заряд его ионов не будет уничтожен (как то имеет место при электролизе). Эти важнейшие свойства ионов могли быть поняты лишь в свете современной теории строения атома (см.). Структура иона. Согласно теории Резерфорда и Бора (Rutherford, Bohr) материя построена из положительных и отрицательных электрических зарядов. Элементарным положительным зарядом является протон, имеющий массу атома водорода, между тем как свободный отрицательный заряд--элрктрон имеет в 1.800 раз меньшую массу. Атом построен из крайне малого центрального положительного ядра, вокруг которого-наподобие планет, движущихся вокруг солнца-по сложной системе орбит вращаются электроны. Атомное ядро состоит из протонов или же из сочетания протонов с меньшим числом электронов. Число положительных зарядов ядра (или же избыток положительных зарядов над числом внутриядерных электронов) равняется числу электронов окружающей ядро оболочки. I Это число равномерно возрастает на единицу по мере перехода от Н (заряд атомного ядра 1) к каждому последующему элементу, соответственно тому порядку, какой они занимают в периодической системе (см.). Окружающая атомное ядро электронная оболочка состоит из ряда последовательных слоев, каждый из к-рых содержит определенное число электронов. Наружный слой может содержать до 8 электронов (исключение составляет первый электронный слой, непосредственно прилегающий к ядру; наибольшее число электронов равно в нем двум). При наличии в наружном слое полного" числа электронов атом приобретает законченную структуру и необычайно устойчивую электронную конфигурацию, а соответственно этому-полную химич. инертность. Это-атомы благородных газов, хим. валентность которых равна нулю. Переход к следующему элементу периодической системы (щелочному металлу) означает добавление нового электрона, располагающегося на новом наружном электронном слое. Продолжающееся у последующих элементов построение атома заканчивается лишь новым устойчивым сочетанием электронов следующего благородного газа. По Косселю (Kos-sel), электронная конфигурация благородного газа (с восьмиэлектронным наружным слоем) представляет устойчивое состояние, к переходу в к-рое стремится атом каждого элемента. Этот переход совершается путем потери или захвата недостающих электронов. Легче всего он происходит у щелочных металлов и галоидов, из которых первым достаточно потерять, а вторым приобрести один электрон, чтобы уподобиться ближайшему благородному газу. Подобно этому и у других элементов число электронов, которое они должны потерять или приобрести, чтобы обнажить или достроить наружный восьмиэлектронный слой, равняется максимальному числу обнаруживаемых ими положительных или отрицательных валентностей. При этом однако нарушается электронейтральность атома, первоначальное равенство его положительных и отрицательных зарядов. Атом превращается в по^ ложительный или отрицательный И., причем заряд последнего по знаку и величине соответствует валентности соответствующего атома или радикала. Электростатическое притяжение противоположно заряженных И. соединяет их в гетерополярную молекулу. В средах, имеющих, как вода, высокую диэлектрическую постоянную, действие электростатических сил ослабляется, и гетеро-полярная молекула вновь распадается на свои ионы. Таким образом каждый И. имеет электронную структуру не того атома, из к-рого он произошел, а ближайшего благородного газа. От последнего он отличается лишь своим зарядом (и той легкостью, с к-рой, теряя его, он вновь превращается в первоначальный элемент). Такой структурой иона вполне объясняется его важнейшее свойство, отмеченное еще Аррениусом: изумительная химическая инертность, составляющая особенность свободного И. в отличие I от того атома, в который он превращается при потере заряда. Приближаясь к структуре устойчивого, химически инертного благородного газа, ионы друг от друга отличаются лишь величиной и распределением своего электрического заряда, т. е. чисто физическими свойствами. В силу этого они и представляют объект по преимуществу физических методов исследования, объект физической химии. Гидратация и размеры И. Важнейшими физ. свойствами И. являются его размеры и величина электрическ. заряда. От соотношения этих величин зависит и плотность заряда, тем большая, чем меньше размеры частицы, несущей данный заряд. Однако если по структуре И., по их электронной модели мы захотели бы составить себе представление об их относительной величине, то допустили бы серьезную ошибку. Ионы Li - , Na", К" и т. п. в воде состоят не только из указанных веществ, но также из значительного количества тесно с ними связанных и совместно движущихся молекул воды. Молекула воды подобно молекуле многих других веществ представляет собой диполь, на противоположных концах к-рого сосредоточены разноименные заряды (на одном полюсе отрицательный заряд кислорода, на другом-положительный заряд водорода). Такие диполи ориентируются вокруг заряженной частицы, притягиваясь к ней своим разноименным полюсом. В результате каждый ион в водном растворе гидратируется, окружается оболочкой, построенной из молекул воды. Чем дальше от центра, тем эта ориентация делается менее точной, постепенно переходя в хаотическое распределение свободных молекул воды. Т. о. гидратация И. обусловлена их электрическим зарядом (Born). В результате гидратации размеры И., как самостоятельно движущейся частицы, могут значительно повышаться, причем нередко ионы, имеющие меньшие атомные размеры, как напр. Li, достигают даже большей величины, чем И., образовавшиеся из более крупных атомов, как К. Отсюда вытекает и другой, не менее парадоксальный вывод, имеющий большое значение для понимания нек-рых проблем клеточной проницаемости: при распаде молекулы на ионы последние (вместе с окружающей их водной обкладкой!) могут иметь ббльшие размеры, чем сама молекула, их диссоциирующая. ПодвижностьИ. Нек-рые действия свойствены И. наравне с нейтральными молекулами. Таково осмотическое давление, зависящее лишь от кинетической энергии растворенных частиц. Другие обусловлены электрическим зарядом, составляющим отличие И. от нейтральной молекулы. К таким свойствам относится электропроводность. Она определяется произведением числа ионных зарядов и подвижности И. Каждый И. движется в электрическом поле со скоростью, пропорциональной действующей на него силе и обратно пропорциональной встречаемому им сопротивлению. Если разность потенциалов равна одному вольту на 1 ем, то скорость движения (в см/сек. при 18°) выразится для нескольких ионов следующими цифрами: Катион U (см/сек.) Анион V (см/сек.) Na* К" Ag\ NH, 33,0 . ю-" 3.5 .10-" 4.6 .10-" 6,75. 10-* 5.7 .10-" 6,7 .10"" ОН" СГ Вг" Г no; Мпо; 18,2 .ю-" 6,85.10-" 7,0 .1Q-" 6,95. }