Particule poliatomice care poartă o sarcină electrică. Sarcina unui ion este un multiplu al sarcinii electrice elementare și este întotdeauna întreagă. Sarcina unui ion monoatomic element chimic coincide ca număr și semn cu starea de oxidare a acestui element; sarcina unui ion poliatomic este egală cu suma algebrică a stărilor de oxidare ale elementelor, ținând cont de numărul atomilor acestora. Ionii încărcați pozitiv (de exemplu, K +, Ca 2+, ΝΗ + 4) sunt numiți cationi (din greacă κατιών - în jos), ioni încărcați negativ (de exemplu, Cl -, SO 4 2-, CH 3 COO - ) - anioni (din grecescul ανιών - urcând). Procesul de formare a ionilor se numește ionizare. Termenii „ion”, „cation” și „anion” au fost introduși în 1834 de M. Faraday, care a studiat acțiunea câmp electric pentru soluţii apoase de diverse compuși chimici. Într-un câmp electric constant, cationii se deplasează la un electrod încărcat negativ (catod), anioni - la un electrod încărcat pozitiv (anod).

Sub formă de particule independente, ionii pot exista în toate stări de agregare substanțe: în gaze (vezi Ioni în gaze, Ioni în atmosferă), în cristale (vezi Cristale ionice), în plasmă, în lichide - în topituri (vezi Lichide ionice) și în soluții (vezi Disocierea electrolitică). Ionii sunt unități structurale ale compușilor chimici cu un ionic legătură chimică. Astfel de conexiuni în stare solidă, topiturile și soluțiile constau din cationi și anioni; de exemplu, clorură de sodiu NaCl - din cationi Na + și Cl - anioni, acetat de potasiu CH 3 COOK - din cationi K + și CH3COO - anioni. Unii compuși cu polar legătură covalentă(de exemplu, acid clorhidric HCl) atunci când este dizolvat în apă și alți solvenți polari se disociază în ioni. În funcție de natura solventului și a solutului, ionii conținuti în soluții pot fie interacționa cu moleculele de solvent, ducând la formarea de învelișuri de solvat în jurul ionilor, fie pot fi suficient de apropiați pentru a forma perechi de ioni.

Ionii se formează atunci când electronii sunt desprinși de atomi și molecule în faza gazoasă (în acest caz, se consumă energia de ionizare), sau ca urmare a atașării electronilor la astfel de atomi și molecule (energia cheltuită sau eliberată în acest caz este afinitatea unui atom sau a unei molecule pentru un electron). Adăugarea unui ion de compoziție simplă la o moleculă neutră sau la un alt ion duce, de asemenea, la formarea de ioni. De exemplu, când un ion H + este atașat la o moleculă de apă H 2 O, se obține un ion hidroniu H 3 O +. Formarea ionilor este posibilă în timpul distrugerii moleculelor ca urmare a expunerii termice sau la radiații. Când se formează un ion, sarcina inițială totală a particulelor care participă la acest proces este întotdeauna păstrată (dacă ionii s-au format din atomi sau molecule neutre, atunci sarcina totală a tuturor ionilor este zero). Unele molecule care se află în soluții sau cristale, deși rămân în general neutre din punct de vedere electric, conțin grupuri încărcate opus în zone diferite (vezi Zwitterions). Un complex format din mai mulți atomi neutri sau molecule și ioni este un ion cluster.

Reacțiile chimice într-o soluție (sau topitură) cu participarea compușilor ionici se datorează mișcării ionilor în acest mediu și formării de noi particule neutre sau ioni mai complecși. În organismele vii, ionii sunt implicați în diferite procese metabolice, reglarea contracțiilor musculare, transmiterea impulsurilor nervoase etc. (vezi, de exemplu, articolul Pompe ionice).

Lit.: Krestov GA Termodinamica proceselor ionice în soluții. L., 1984.

Si el- o particulă monoatomică sau poliatomică încărcată electric a unei substanțe, formată ca urmare a pierderii sau aderării unui atom în molecula unuia sau mai multor electroni.

Sarcina unui ion este un multiplu al sarcinii unui electron. Conceptul și termenul „ion” a fost introdus în 1834 de Michael Faraday, care, studiind acțiunea curent electric pe soluții apoase de acizi, alcaline și săruri, a sugerat că conductivitatea electrică a unor astfel de soluții se datorează mișcării ionilor. Ioni încărcați pozitiv care se deplasează în soluție la polul negativ (catod), a numit Faraday cationi, și încărcat negativ, deplasându-se spre polul pozitiv (anod) - anionii.

Proprietățile ionilor sunt determinate:

1) semnul și mărimea sarcinii lor;
2) structura ionilor, adică dispunerea electronilor și puterea legăturilor lor, electronii exteriori fiind deosebit de importanți;
3) dimensiunile lor determinate de raza orbitei electronului exterior.
4) puterea învelișului de electroni (deformabilitatea ionilor).

Sub formă de particule independente, ionii se găsesc în toate stările agregate ale materiei: în gaze (în special, în atmosferă), în lichide (în topituri și soluții), în cristale și în plasmă (în special, în spațiul interstelar) .

Fiind particule active din punct de vedere chimic, ionii reacţionează cu atomii, moleculele şi între ei. În soluții, ionii se formează ca urmare a disocierii electrolitice și determină proprietățile electroliților.

Numărul sarcinilor electrice elementare ale ionilor din soluții coincide aproape întotdeauna cu valența unui atom sau grup dat; ionii de gaz pot avea un număr diferit taxe elementare. Sub influența unor influențe suficient de energice ( căldură, radiații de înaltă frecvență, electroni de mare viteză) se pot forma ioni pozitivi cu un număr diferit de electroni, până la nuclee goale. Ionii pozitivi sunt indicați printr-un semn + (plus) sau un punct (de exemplu, Mg***, Al +++), ionii negativi printr-un semn - (minus) sau „(Cl -, Br”). de semne indică numărul de sarcini elementare în exces. Cel mai adesea, ionii sunt formați cu învelișuri de electroni exterioare stabile corespunzătoare învelișului de gaz nobil. Ionii din care sunt construite cristalele și ionii găsiți în soluții și solvenți cu constante dielectrică ridicată aparțin în cea mai mare parte acestui tip, de exemplu, metale alcaline și alcalino-pământoase, halogenuri etc. Cu toate acestea, există și așa-numitele. ioni de tranziție, în care învelișurile exterioare conțin de la 9 la 17 electroni; acești ioni pot trece relativ ușor în ioni de alt tip și semnificație (de exemplu, Fe - -, Cu ", etc.).

Proprietăți chimice și fizice

Proprietățile chimice și fizice ale ionilor diferă puternic de proprietățile atomilor neutri, asemănând în multe privințe cu proprietățile atomilor altor elemente care au același număr de electroni și aceeași înveliș electronic exterior (de exemplu, K "seamănă cu Ar, F "- Ne). Ionii simpli, după cum arată mecanica ondulatorie, au o formă sferică. Dimensiunile unui ion se caracterizează prin valoarea razelor lor, care poate fi determinată empiric din datele analizei cu raze X a cristalelor (Goldschmidt) sau calculată teoretic prin metode mecanica valurilor(Pauliig) sau statistici (Fermi). Rezultatele obținute prin ambele metode oferă un acord destul de satisfăcător. O serie de proprietăți ale cristalelor și soluțiilor sunt determinate de razele ionilor din care sunt compuși; în cristale, aceste proprietăți sunt energia rețelei cristaline și, în mare măsură, tipul acesteia; în soluții, ionii polarizează și atrag moleculele de solvent, formând învelișuri de compoziție variabilă, această polarizare și puterea legăturii dintre ioni și moleculele de solvent sunt determinate aproape exclusiv de razele și sarcinile ionilor. Cât de puternică este acțiunea câmpului ionic asupra moleculelor de solvent este demonstrată de calculele lui Zwicky, care a descoperit că moleculele de apă sunt aproape de ioni la o presiune de aproximativ 50.000 atm. Rezistența (deformabilitatea) învelișului electronului exterior depinde de gradul de legare a electronilor exteriori și determină în principal proprietățile optice ale ionilor (culoare, refracție). Cu toate acestea, culoarea ionilor este, de asemenea, asociată cu formarea ionilor diferiților compuși cu molecule de solvent. Calculele teoretice ale efectelor asociate cu deformarea învelișurilor de electroni sunt mai dificile și mai puțin înzestrate decât calculele forțelor de interacțiune dintre ioni. Motivele formării ionilor în soluții nu sunt cunoscute cu exactitate; cea mai plauzibilă opinie este că moleculele substanțelor solubile sunt rupte în ioni de câmpul molecular al solventului; heteropolare, adică cristalele construite din ioni, se pare că dau ioni imediat după dizolvare. Valoarea câmpului molecular al solventului este confirmată ca și cum printr-un paralelism între constanta dielectrică a solventului, care este o măsură aproximativă a tensiunii câmpului său molecular, și gradul de disociere (regula Nernst-Thomson, experimental confirmat de Walden). Totuși, ionizarea are loc și în substanțele cu constante dielectrice scăzute, dar aici predominant electroliții se dizolvă, dând ioni complecși. Complexele se formează uneori din ionii substanței dizolvate, uneori și solventul participă la formarea lor. Pentru substanțele cu constante dielectrice scăzute, formarea ionilor complecși este caracteristică și atunci când se adaugă neelectroliți, de exemplu, (C 2 H 5) 0Br 3 dă, atunci când este amestecat cu cloroform, un conductiv
sistem. Un semn extern al formării ionilor complecși este așa-numitul. conductivitate electrică anormală, în care un grafic care ilustrează dependența conductivității electrice molare de diluție oferă un maxim în regiunea soluțiilor concentrate și un minim în diluția ulterioară.

Nomenclatură Conform nomenclaturii chimice, numele unui cation format dintr-un atom coincide cu numele elementului, de exemplu, Na + se numește ion de sodiu, uneori se adaugă o sarcină între paranteze, de exemplu, numele Fe 2 + cationul este ionul de fier (II). Numele este format dintr-un singur atom, anionul este format din rădăcina numelui latin al elementului și sufixul " -am facut”, de exemplu, F - se numește ion de fluor.

Aproape toată lumea a văzut o reclamă pentru așa-numitul „candelabru Chizhevsky”, din care ionii negativi din aer cresc cantitativ. Cu toate acestea, după școală, nu toată lumea își amintește exact ionii înșiși - acestea sunt particule încărcate care și-au pierdut neutralitatea caracteristică atomilor normali. Și acum încă puțin.

Atomi „greșiți”.

După cum știți, numărul din tabelul periodic al marelui Mendeleev este asociat cu numărul de protoni din nucleul unui atom. De ce nu electronii? Deoarece numărul și completitudinea electronilor, deși afectează proprietățile unui atom, nu determină proprietățile sale fundamentale asociate cu nucleul. S-ar putea să nu fie destui electroni sau să fie prea mulți. Ionii sunt doar atomi cu un număr „greșit” de electroni. Mai mult, în mod paradoxal, cei cu lipsă de electroni se numesc pozitivi, iar un exces se numește negativ.

Un pic despre nume

Cum se formează ionii? Aceasta este o întrebare simplă - există doar două moduri de educație. Fie chimic, fie fizic. Rezultatul poate fi un ion pozitiv, care este adesea numit cation, și unul negativ, respectiv anion. Un singur atom sau o moleculă întreagă, care este, de asemenea, considerat a fi un ion de tip poliatomic special, poate avea o deficiență sau un exces de sarcină.

Luptă pentru stabilitate

Dacă există o ionizare a unui mediu, de exemplu, un gaz, atunci există rapoarte proporționale cantitativ de electroni și ioni pozitivi în el. Dar un astfel de fenomen este rar (în timpul unei furtuni, lângă o flacără), gazul într-o stare atât de alterată nu există pentru mult timp. Prin urmare, în general, ionii reactivi de aer aproape de sol sunt rari. Gazul este un mediu care se schimbă foarte rapid. De îndată ce acțiunea factorilor ionizanți încetează, ionii se întâlnesc și devin din nou atomi neutri. Aceasta este starea lor normală.

Lichid agresiv

Ionii în cantități mari pot fi conținute în apă. Faptul este că moleculele de apă sunt particule în care sunt distribuite neuniform pe moleculă, sunt dipoli care au o sarcină pozitivă pe o parte și o sarcină negativă pe cealaltă.

Iar atunci când o substanță solubilă apare în apă, moleculele de apă cu polii lor afectează electric substanța adăugată, ionizând-o. Un bun exemplu este apa de mare, unde există multe substanțe sub formă de ioni. Acest lucru este cunoscut oamenilor de mult timp. Există o mulțime de ioni în atmosferă peste un anumit punct, acest înveliș se numește ionosferă. distruge atomi și molecule stabili. Particulele în stare ionizată pot împărtăși întregii substanțe. Un exemplu sunt culorile strălucitoare neobișnuite ale pietrelor prețioase.

Ionii sunt baza vieții, deoarece procesul de bază de obținere a energiei din ATP este imposibil fără crearea de particule instabile din punct de vedere electric, ea însăși bazată pe interacțiunile ionilor și multe procese chimice catalizate de enzime, are loc numai datorită ionizării. Nu este de mirare că unele substanțe aflate în această stare sunt luate pe cale orală. Un exemplu clasic sunt ionii de argint utili.

IONII(din greacă. ion-going, rătăcitor), atomi sau chimic. radicali care poartă sarcini electrice.-Poveste. După cum a stabilit Faraday pentru prima dată, conducerea curentului electric în soluții este asociată cu mișcarea particulelor materiale care transportă sarcini electrice. O substanță care conduce un curent electric - un electrolit - se descompune în radicali încărcați pozitiv și negativ, care sunt atrași de acțiunea forțelor electrostatice - primul către catod, al doilea către anod. Astfel de atomi sau grupuri atomice(radicalii) care se deplasează în soluție și poartă sarcini electrice, Faraday numiți ioni: ionii încărcați pozitiv (care se deplasează spre catod) sunt cationi, cei negativi sunt anioni. Spre deosebire de conductorii metalici, în care distribuția energiei electrice nu este asociată cu transferul și descompunerea materiei, soluțiile de electroliți sunt numite „conductori de al doilea fel”. Faraday credea că numai atunci când un curent galvanic este trecut printr-o soluție prin acțiunea externă forte electrice o parte din moleculele de electrolit este împărțită în ioni. Fondatorul teoriei disocierii electrolitice Arrhenius (Sv. Arrhenius), pe baza unui vast material experimental, a arătat că o anumită parte a moleculelor de electrolit este constant disociată în ioni, indiferent dacă soluția conduce în acest moment electric actual. Acesta a fost începutul conceptului de existență a ionilor liberi în soluție ca stare stabilă a materiei. Gradul de disociere a unui electrolit, care indică ce parte a moleculelor sale se descompune în I., este valoarea principală în învățăturile lui Arrhenius care caracterizează participarea unui electrolit la o serie de procese care au loc în soluții. Teoria modernă a disocierii electrolitice și a activității electroliților a fost dezvoltată în continuare în studiile lui Bjerrum, Debye și Gyukkel (Bjerrum, Debye, Htickel) și alții.interacțiuni electrostatice. Influența acestor forțe interionice electrostatice a făcut posibilă explicarea multor caracteristici ale soluțiilor de electroliți care nu se încadrau în cadrul teoriei clasice Arrhenius. Creatorii teoriei ionice nu au avut o idee concretă despre structura radiațiilor și despre metoda de combinare a materiei și a încărcăturii în ea. În același mod, principala proprietate a lui I., chimia sa uimitoare. inerție în comparație cu atomul neutru corespunzător. Deci, atomii de sodiu reactioneaza violent cu apa, descompunand-o cu eliberarea de hidrogen; iodul dă o reacție specifică cu amidonul etc. Dar o soluție de NaJ, constând din I. sodiu și iod liber, nu prezintă niciuna dintre aceste reacții până când sarcina ionilor săi este distrusă (cum este cazul electrolizei). Aceste proprietăți cele mai importante ale ionilor au putut fi înțelese doar în lumina teoriei structurale moderne. atom(cm.). Structura ionică. Conform teoriei lui Rutherford și Bohr (Rutherford, Bohr), materia este construită din sarcini electrice pozitive și negative. Sarcina pozitivă elementară este protonul, care are masa unui atom de hidrogen, în timp ce cel liber sarcina negativa--elrktron are de 1.800 de ori mai puțină masă. Atomul este construit dintr-un nucleu central pozitiv extrem de mic, în jurul căruia - asemenea planetelor care se mișcă în jurul soarelui - de-a lungul sistem complex orbitele rotesc electronii. Nucleul atomic este format din protoni sau o combinație de protoni cu un număr mai mic de electroni. Număr sarcini pozitive nucleul (sau excesul de sarcini pozitive față de numărul de electroni intranucleari) este egal cu numărul de electroni din jurul nucleului învelișului. I Acest număr crește uniform cu unu pe măsură ce trecem de la H (sarcina nucleului atomic 1) la fiecare element următor, conform ordinii pe care o ocupă în sistem periodic(cm.). Mediu inconjurator nucleul atomicÎnvelișul de electroni este format dintr-un număr de straturi succesive, fiecare dintre ele conține un anumit număr de electroni. strat exterior poate conține până la 8 electroni (excepția este primul strat de electroni, direct adiacent nucleului; cel mai mare număr de electroni din acesta este de doi). În prezența unui „număr total de electroni în stratul exterior, atomul capătă o structură completă și o configurație electronică neobișnuit de stabilă și, în consecință, o inerție chimică completă. Aceștia sunt atomi de gaze nobile, a căror valență chimică este zero. . Trecerea la următorul element al sistemului periodic (metal alcalin) înseamnă adăugarea unui nou electron situat pe un nou strat de electroni exterior.Construcția continuă a atomului în elementele ulterioare se încheie doar cu o nouă combinație stabilă de electroni ai următorul gaz nobil. Potrivit lui Kossel, configuratie electronica gazul nobil (cu un strat exterior de opt electroni) reprezintă o stare stabilă, un atom din fiecare element se străduiește pentru o tranziție într-un roi. Această tranziție se realizează prin pierderea sau captarea electronilor lipsă. Se întâmplă cel mai ușor la Metale alcalineși halogenuri, din care este suficient ca primul să piardă, iar al doilea să câștige un electron, pentru a deveni ca cel mai apropiat gaz nobil. În mod similar, pentru alte elemente, numărul de electroni pe care trebuie să-i piardă sau să-i câștige pentru a expune sau a completa stratul exterior de opt electroni este egal cu număr maxim valenţele pozitive sau negative pe care le detectează. În acest caz, însă, este încălcată electroneutralitatea atomului, egalitatea inițială a sarcinilor sale pozitive și negative. Un atom este transformat într-un I pozitiv sau negativ, iar sarcina acestuia din urmă corespunde ca semn și mărime cu valența atomului sau radicalului corespunzător. Atracția electrostatică a I. încărcat opus le conectează într-o moleculă heteropolară. În mediile care au, precum apa, o constantă dielectrică ridicată, efectul forțelor electrostatice este slăbit, iar molecula heteropolară se descompune din nou în ionii săi. Astfel, fiecare I. are structura electronica nu atomul din care provine, ci cel mai apropiat gaz nobil. Se deosebește de acesta din urmă doar prin încărcarea sa (și prin ușurința cu care, pierzându-l, se transformă din nou în elementul original). Această structură a ionului explică pe deplin proprietatea sa cea mai importantă, deja observată de Arrhenius: inerția chimică uimitoare, care este o caracteristică a Iului liber, spre deosebire de I din atomul în care se transformă atunci când își pierde sarcina. Apropiindu-se de structura unui gaz nobil stabil, inert din punct de vedere chimic, ionii diferă unul de celălalt numai prin mărimea și distribuția sarcinii lor electrice, adică pur și simplu proprietăți fizice. Din această cauză, ele reprezintă un obiect în primul rând al metodelor fizice de cercetare, un obiect Chimie Fizica. Hidratarea și mărimile I. Cel mai important fizic. Proprietățile lui I. sunt dimensiunile sale și mărimea electricității. încărca. Densitatea de sarcină depinde și de raportul acestor cantități, cu cât este mai mare, cu atât dimensiunea particulei care poartă o anumită sarcină este mai mică. Totuşi, dacă după structura lui I., după lor model electronic am dori să ne facem o idee despre ei valoare relativă, ar face o greșeală gravă. Ionii Li -, Na", K", etc. din apă constau nu numai din substanțele indicate, ci și dintr-o cantitate semnificativă de molecule de apă strâns asociate cu acestea și care se mișcă împreună. Molecula de apă, ca și molecula multor alte substanțe, este un dipol, la capete opuse ale căruia sunt concentrate sarcini opuse (pe un pol există o sarcină negativă de oxigen, pe celălalt o sarcină pozitivă de hidrogen). Astfel de dipoli sunt orientați în jurul unei particule încărcate, fiind atrași de ea de polul lor opus. Ca urmare, fiecare ion dintr-o soluție apoasă este hidratat, înconjurat de o înveliș construită din molecule de apă. Cu cât este mai departe de centru, cu atât această orientare devine mai puțin precisă, transformându-se treptat într-o distribuție haotică a moleculelor de apă libere. Acea. Hidratarea lui I. este cauzată de sarcina lor electrică (Born). Ca urmare a hidratării, dimensiunile lui I., ca particulă care se mișcă independent, pot crește semnificativ și adesea ioni care au mai mici dimensiuni atomice, ca de exemplu. Li, ajung la o valoare și mai mare decât I., format din atomi mai mari, ca K. De aici rezultă o altă concluzie, nu mai puțin paradoxală, care are mare importanță pentru a înțelege unele probleme de permeabilitate celulară: atunci când o moleculă se descompune în ioni, aceștia din urmă (împreună cu căptușeala de apă din jur!) pot fi mai mari decât molecula în sine, care îi disociază. Mobilitatea I. Anumite acţiuni sunt caracteristice lui I. alături de molecule neutre. Aceasta este presiunea osmotică, care depinde numai de energia cinetică a particulelor dizolvate. Altele se datorează sarcinii electrice care face diferența dintre I. și o moleculă neutră. Aceste proprietăți includ conductivitatea electrică. Este determinată de produsul dintre numărul de sarcini ionice și mobilitatea unui impuls.Fiecare impuls se mișcă într-un câmp electric cu o viteză proporțională cu forța care acționează asupra acestuia și invers proporțională cu rezistența pe care o întâlnește. Dacă diferența de potențial este de un volt la 1 mananca, atunci viteza de deplasare (in cm/sec. la 18°) se va exprima pentru mai mulţi ioni prin următoarele cifre: Cation U (cm/s) Anion V (cm/sec.) 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 nr; Mpo; 18.2 .yu-" 6.85.10-" 7.0 .1Q-" 6.95. )