Ioner

Ladning ud fra elektronregnskabet

For en monoatomisk ion:

Al³⁺ har 13 protoner og 10 elektroner. O²⁻ har 8 protoner og 10 elektroner. Begge har 10 elektroner, men deres kerneladninger er forskellige.

Elektronkonfigurationer for ioner

Hovedgruppeioner dannes ofte ved at afgive eller optage elektroner i den yderste besatte skal. Na: [Ne]3s¹ bliver Na⁺: [Ne]. Cl: [Ne]3s²3p⁵ bliver Cl⁻: [Ar].

Overgangsmetalioner kræver mere omtanke. Selv om 4s fyldes før 3d i neutrale atomer, fjernes 4s-elektroner normalt først, når d-underskallen er besat. Fe skrives ofte [Ar]3d⁶4s²; Fe²⁺ er [Ar]3d⁶.

Polyatomiske ioner bevarer kovalente bindinger indeni

NH₄⁺, SO₄²⁻ og NO₃⁻ er ladede grupper, ikke isolerede ladede atomer. Atomerne forbliver forbundet med kovalente bindinger, mens gruppen som helhed har en nettoladning.

Lewis-strukturer og resonans hjælper med at beskrive fordelingen af ladningen. En formel ladning placeret på ét atom i én Lewis-form skal ikke automatisk tolkes som en lokaliseret, målt ladning.

Ioner i faste stoffer, smelter og opløsninger

I et ionisk fast stof ligger ionerne i et udstrakt gitter. De kan ikke bevæge sig frit, så stoffet leder normalt dårligt. Når det smeltes eller opløses, kan mobile ioner transportere ladning.

I vand er ioner solvatiserede: polære vandmolekyler orienterer sig omkring dem. Hydratisering ændrer de effektive vekselvirkninger og er en vigtig del af opløsningens energetik.

Værktøj til elektrontal

Brug fortegnet ladning: +2 for en 2+-kation, −1 for en 1−-anion.

Iondannelse er en energibalance

Det kræver ioniseringsenergi at fjerne en elektron fra et neutralt atom. Tilførsel af en elektron har en energiændring knyttet til elektronaffiniteten. Et isoleret Na-atom bliver ikke spontant Na⁺ blot fordi Na⁺ har en ædelgaskonfiguration: der skal tilføres energi for at fjerne elektronen.

Ved dannelsen af NaCl opvejes denne omkostning af andre favorable bidrag, især tiltrækningen i iongitteret. I opløsning kan hydratisering give stærk stabilisering. Stabile ioner opstår fra den samlede energibalance i det kemiske miljø.

Isoelektroniske ioner adskiller elektrontal fra kerneladning

O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺, Mg²⁺ og Al³⁺ har alle 10 elektroner. Deres størrelser er alligevel forskellige, fordi deres kerner indeholder henholdsvis 8, 9, 10, 11, 12 og 13 protoner.

I en isoelektronisk serie trækker flere protoner den samme elektronpopulation stærkere indad.

Ladningsbalance bestemmer ionformler

En makroskopisk ionforbindelse er elektrisk neutral. Det enkleste heltalsforhold mellem kationer og anioner skal få den samlede positive og negative ladning til at ophæve hinanden.

Indekstal beskriver forholdet mellem ioner i formelenheden; de er ikke selve ladningerne.

Variabel ladning i overgangsmetaller

Overgangsmetaller danner ofte flere stabile ioner, fordi ns- og (n−1)d-tilstande ligger tæt i energi. Jern danner ofte Fe²⁺ og Fe³⁺; kobber danner Cu⁺ og Cu²⁺.

Derfor angiver navne som jern(II)chlorid og jern(III)chlorid oxidationstrinnet. Romertallet henviser til kationens ladning i disse ionforbindelser, ikke til antallet af atomer i formlen.

Ionisering, dissociation og opløsning er forskellige processer

Når NaCl opløses, skilles allerede eksisterende Na⁺- og Cl⁻-ioner fra krystallen og hydratiseres; dette er dissociation. Når HCl opløses i vand, danner protonoverførsel H₃O⁺ og Cl⁻; dette kaldes ofte ionisering, fordi neutrale HCl-molekyler danner ioner i opløsningsmidlet.

Disse processer bør ikke slås sammen til “forbindelsen bliver til ioner”. Det mikroskopiske udgangspunkt er forskelligt: et iongitter indeholder allerede ioner, mens et molekylært stof kan danne ioner gennem en kemisk reaktion med opløsningsmidlet.

Hydratiseringsskaller og ionmobilitet

Vandmolekyler orienterer deres oxygenende mod kationer og deres hydrogenender mod anioner. Den første hydratiseringsskal er struktureret snarere end tilfældig, og små stærkt ladede ioner kan binde vand særligt stærkt.

Hydratiseret størrelse kan vende forventninger baseret på den bare ionradius. Li⁺ er en meget lille bar ion, men hydratiserer kraftigt, så dens effektive hydrodynamiske opførsel i vand kan ikke udledes blot ved at sammenligne krystalradier.

Elektrisk ledningsevne i opløsning afhænger både af antallet af ladningsbærere og af, hvor hurtigt hver hydratiseret ion bevæger sig gennem opløsningsmidlet.

Almindelige ioner og kemiske navne

Parenteser i formler grupperer en polyatomisk ion, når der kræves mere end én: Ca(NO₃)₂ indeholder to nitrationer for hver Ca²⁺.

Opgaver

Calciumion

Hvor mange elektroner er der i Ca²⁺ (Z=20)?

Størrelse i forhold til moderatomet

Hvilken er størst, Na eller Na⁺?

Jern

Angiv Fe³⁺ ud fra [Ar]3d⁶4s².