Ions
Un ió és un àtom o un grup d’àtoms amb càrrega elèctrica neta. La càrrega apareix perquè el nombre de protons i el d’electrons ja no coincideixen. En la formació ordinària d’ions, el nucli normalment no canvia.
La càrrega a partir del recompte d’electrons
Per a un ió monoatòmic:
càrrega/e = nombre de protons − nombre d’electrons
Al³⁺ té 13 protons i 10 electrons. O²⁻ té 8 protons i 10 electrons. Tots dos tenen 10 electrons, però les seves càrregues nuclears són diferents.
Configuracions electròniques dels ions
Els ions dels grups principals sovint es formen perdent o guanyant electrons de la capa ocupada més externa. Na: [Ne]3s¹ es converteix en Na⁺: [Ne]. Cl: [Ne]3s²3p⁵ es converteix en Cl⁻: [Ar].
Els ions dels metalls de transició requereixen més cura. Tot i que 4s s’omple abans que 3d en els àtoms neutres, els electrons 4s normalment s’extreuen primer un cop la subcapa d està ocupada. Fe s’escriu habitualment [Ar]3d⁶4s²; Fe²⁺ és [Ar]3d⁶.
Els ions poliatòmics conserven enllaços covalents a l’interior
NH₄⁺, SO₄²⁻ i NO₃⁻ són grups carregats, no àtoms carregats aïllats. Els seus àtoms continuen units per enllaços covalents mentre que el grup complet té una càrrega neta.
Les estructures de Lewis i la ressonància ajuden a descriure la distribució d’aquesta càrrega. Una càrrega formal situada sobre un àtom en una forma de Lewis no s’ha d’interpretar automàticament com una càrrega mesurada i localitzada.
Ions en sòlids, fosos i dissolucions
En un sòlid iònic, els ions ocupen una xarxa extensa. No es poden moure lliurement, de manera que el sòlid sol conduir malament. Quan es fon o es dissol, els ions mòbils poden transportar càrrega.
En aigua, els ions estan solvatats: les molècules polars d’aigua s’orienten al seu voltant. La hidratació modifica les interaccions efectives i és una part important de l’energètica de dissolució.
Eina de recompte d’electrons
Utilitza una càrrega amb signe: +2 per a un catió 2+, −1 per a un anió 1−.
La formació d’ions és un balanç energètic
Extreure un electró d’un àtom neutre requereix energia d’ionització. Afegir un electró implica un canvi energètic relacionat amb l’afinitat electrònica. Un Na aïllat no es converteix espontàniament en Na⁺ només perquè Na⁺ tingui configuració de gas noble: cal aportar energia per extreure l’electró.
En la formació de NaCl, aquest cost es compensa amb altres termes favorables, sobretot l’atracció a la xarxa iònica. En dissolució, la hidratació pot aportar una estabilització important. Els ions estables resulten del balanç total d’energia de l’entorn químic.
Els ions isoelectrònics separen nombre d’electrons i càrrega nuclear
O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺, Mg²⁺ i Al³⁺ contenen tots 10 electrons. Tot i així, tenen mides diferents perquè els seus nuclis contenen respectivament 8, 9, 10, 11, 12 i 13 protons.
O²⁻ > F⁻ > Ne > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺ en radi.
Dins d’una sèrie isoelectrònica, més protons atreuen amb més força cap a l’interior la mateixa població d’electrons.
L’equilibri de càrrega determina les fórmules iòniques
Un compost iònic macroscòpic és elèctricament neutre. La relació entera més simple entre cations i anions ha de fer que es cancel·lin la càrrega positiva i la negativa totals.
| Ions | Fórmula neutra | Comprovació de càrrega |
|---|---|---|
| Na⁺ i Cl⁻ | NaCl | +1 −1 = 0 |
| Mg²⁺ i Cl⁻ | MgCl₂ | +2 + 2(−1) = 0 |
| Al³⁺ i O²⁻ | Al₂O₃ | 2(+3) + 3(−2) = 0 |
| Ca²⁺ i PO₄³⁻ | Ca₃(PO₄)₂ | 3(+2) + 2(−3) = 0 |
Els subíndexs descriuen la proporció d’ions a la unitat fórmula; no són les càrregues.
Càrrega variable en metalls de transició
Els metalls de transició sovint formen diversos ions estables perquè els estats ns i (n−1)d tenen energies pròximes. El ferro forma habitualment Fe²⁺ i Fe³⁺; el coure forma Cu⁺ i Cu²⁺.
Per això noms com clorur de ferro(II) i clorur de ferro(III) especifiquen l’estat d’oxidació. El nombre romà es refereix a la càrrega del catió en aquests compostos iònics, no al nombre d’àtoms de la fórmula.
Ionització, dissociació i dissolució són processos diferents
Quan el NaCl es dissol, els ions Na⁺ i Cl⁻ que ja existien se separen del cristall i s’hidraten; això és dissociació. Quan HCl es dissol en aigua, una transferència de protó produeix H₃O⁺ i Cl⁻; sovint es descriu com una ionització perquè les molècules neutres d’HCl formen ions en el dissolvent.
No s’han de reduir aquests processos a «el compost es converteix en ions». El punt de partida microscòpic és diferent: una xarxa iònica ja conté ions, mentre que una substància molecular pot crear ions mitjançant una reacció química amb el dissolvent.
Capes d’hidratació i mobilitat iònica
Les molècules d’aigua orienten l’extrem de l’oxigen cap als cations i els extrems d’hidrogen cap als anions. La primera capa d’hidratació és estructurada, no aleatòria, i els ions petits amb molta càrrega poden retenir l’aigua amb especial força.
La mida hidratada pot invertir les expectatives basades en el radi iònic nu. Li⁺ és un ió nu molt petit, però s’hidrata intensament; per això el seu comportament hidrodinàmic efectiu en aigua no es dedueix simplement comparant radis cristal·lins.
La conductivitat elèctrica d’una dissolució depèn tant del nombre de portadors de càrrega com de la rapidesa amb què cada ió hidratat es mou pel dissolvent.
Ions habituals i noms químics
| Ió | Nom | Comentari |
|---|---|---|
| NH₄⁺ | amoni | catió poliatòmic habitual |
| OH⁻ | hidròxid | química àcid–base |
| NO₃⁻ | nitrat | anió deslocalitzat per ressonància |
| SO₄²⁻ | sulfat | oxoanió 2− |
| CO₃²⁻ | carbonat | central en equilibris àcid–base |
| PO₄³⁻ | fosfat | oxoanió 3− |
Els parèntesis en una fórmula agrupen un ió poliatòmic quan en cal més d’un: Ca(NO₃)₂ conté dos ions nitrat per cada Ca²⁺.
Aparellament iònic: en dissolucions concentrades, ions de càrrega oposada poden romandre associats una part del temps. La conductivitat i el comportament termodinàmic poden desviar-se, per tant, d’un model ideal d’ions hidratats completament independents.
La densitat de càrrega importa: un ió 2+ petit com Mg²⁺ polaritza el dissolvent o els anions propers molt més que un ió 1+ gran. La càrrega iònica per si sola no basta per predir la intensitat de la interacció.
Exercicis
Ió calci
Quants electrons hi ha en Ca²⁺ (Z=20)?
Solució
18 electrons.
Mida respecte de l’àtom
Quin és més gran, Na o Na⁺?
Solució
Na. En formar Na⁺ es perd l’electró 3s i tota la capa de valència n=3.
Ferro
Partint de [Ar]3d⁶4s², dona la configuració de Fe³⁺.
Solució
Treu dos electrons 4s i després un electró 3d: [Ar]3d⁵.