Образование положительных и отрицательных ионов связано с процессами, происходящими на уровне атомов и молекул, а именно с переносом электронов между атомами. Для того чтобы разобраться в этом более детально, нужно понять несколько ключевых концепций в химии, связанных с электронными оболочками атомов, их энергией и стремлением к стабильности.
Что такое ионы?
Ионы — это заряженные частицы, которые образуются, когда атом или молекула теряет или приобретает электроны. Атомы сами по себе электрически нейтральны, так как количество протонов (положительно заряженных частиц в ядре) равно количеству электронов (отрицательно заряженных частиц, которые вращаются вокруг ядра). Когда атом теряет или приобретает электроны, возникает несоответствие между числом протонов и электронов, и такой атом становится ионом.
Положительные ионы (катионы) — это ионы, которые имеют избыточный положительный заряд. Это означает, что количество протонов в ядре больше, чем количество электронов, из-за потери электронов.
Отрицательные ионы (анионы) — это ионы, которые имеют избыточный отрицательный заряд. Это происходит, когда атом или молекула приобретает электроны.
Как образуются ионы?
Процесс образования ионов происходит в результате стремления атомов и молекул достичь более стабильного состояния, которое связано с закономерностями энергетических уровней и химической устойчивости.
1. Образование положительных ионов (катионов)
Положительные ионы образуются, когда атом теряет один или несколько своих электронов. Обычно это происходит у атомов, у которых валентные (находящиеся на внешней оболочке) электроны слабо связаны с ядром. Такие атомы легче теряют электроны, чем, например, атомы с более сильной связью между ядром и внешними электронами.
Пример:
Натрий (Na) — атом натрия имеет электронную конфигурацию 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Он имеет один электрон на третьей оболочке, который достаточно слабо связан с ядром, так как он находится далеко от центра атома. Чтобы достичь более стабильного состояния, натрий может потерять этот электрон, превращаясь в положительный ион Na+Na^+. В результате он будет иметь конфигурацию 1s² 2s² 2p⁶, как у благородного газа неона, что является стабильным состоянием.
Другие примеры элементов, которые часто образуют катионы:
Магний (Mg) — Mg2+Mg^{2+} (потеря двух электронов).
Железо (Fe) — может образовывать Fe2+Fe^{2+} и Fe3+Fe^{3+}.
2. Образование отрицательных ионов (анионов)
Отрицательные ионы образуются, когда атомы или молекулы приобретают один или несколько электронов. Это часто происходит у элементов, которые имеют почти полный внешний энергетический уровень (оболочку), но не хватает нескольких электронов до достижения стабильной конфигурации, аналогичной благородному газу.
Пример:
Хлор (Cl) — атом хлора имеет конфигурацию 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵, то есть на третьей оболочке у него есть 7 электронов, и ему не хватает одного электрона, чтобы достичь конфигурации 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ (как у благородного газа аргона). Хлор может приобрести один электрон, превращаясь в отрицательный ион Cl−Cl^-. После этого его электронная конфигурация становится более стабильной, аналогичной благородному газу.
Другие примеры элементов, которые образуют анионы:
Оксиген (O) — O2−O^{2-} (приобретает два электрона).
Сера (S) — S2−S^{2-}.
3. Особенности образования ионов у металлов и неметаллов
Металлы (особенно щелочные и щелочноземельные) склонны терять электроны, образуя положительные ионы. Это связано с тем, что они имеют небольшое количество электронов на внешней оболочке, и потеря этих электронов ведет к образованию стабильного иона.
Неметаллы, наоборот, склонны к принятию электронов, так как их внешний энергетический уровень близок к завершению, и они хотят получить недостающие электроны для достижения стабильной конфигурации.
Принципы образования ионов:
Энергетическая стабильность: Атомы стремятся достичь наиболее энергетически стабильного состояния. Это обычно означает, что они стремятся заполнять или опустошать свои внешние оболочки так, чтобы число электронов на внешней оболочке совпало с числом электронов в конфигурации ближайшего благородного газа.
Энергия ионизации: Для того чтобы атом стал положительным ионом, ему нужно предоставить энергию, чтобы вытянуть один или несколько электронов из его внешней оболочки. Это называется энергией ионизации. Чем слабее связь электрона с ядром (чем дальше электрон от ядра), тем легче он может быть удален, и, соответственно, тем меньше энергия ионизации требуется.
Электронное сродство: Для того чтобы атом стал отрицательным ионом, ему нужно приобрести электрон. Это также связано с энергией, необходимой для того, чтобы добавить электрон к атомной оболочке, и называется энергией электронного сродства. Неметаллы с высокой электроотрицательностью легко приобретают электроны, так как они имеют высокое сродство к ним.
