Ιόντα
Ιόν είναι άτομο ή ομάδα ατόμων με καθαρό ηλεκτρικό φορτίο. Το φορτίο εμφανίζεται επειδή ο αριθμός πρωτονίων και ηλεκτρονίων δεν είναι πλέον ίσος. Στη συνήθη χημική δημιουργία ιόντος αλλάζει ο αριθμός ηλεκτρονίων, όχι ο πυρήνας: απώλεια ηλεκτρονίων δίνει κατιόν και πρόσληψη ηλεκτρονίων ανιόν.
Οπτικό μοντέλο
Διαδραστικό μοντέλο
Υπολογισμός φορτίου
Για μονοατομικό ιόν ισχύει q/e = Z − Nₑ. Το Al³⁺ έχει 13 πρωτόνια και 10 ηλεκτρόνια, ενώ το O²⁻ έχει 8 πρωτόνια και 10 ηλεκτρόνια. Είναι ισοηλεκτρονιακά αλλά δεν είναι το ίδιο στοιχείο επειδή το πυρηνικό φορτίο διαφέρει.
Το πρόσημο συχνά μπερδεύεται όταν η σκέψη γίνεται μόνο με σύμβολα. Αν υπάρχουν λιγότερα ηλεκτρόνια από πρωτόνια, το καθαρό φορτίο είναι θετικό. Αν υπάρχουν περισσότερα ηλεκτρόνια, είναι αρνητικό. Η αλλαγή Z δεν είναι ιονισμός αλλά πυρηνική μεταστοιχείωση.
Ηλεκτρονιακές διαμορφώσεις ιόντων
Κύριας ομάδας ιόντα σχηματίζονται συχνά με αφαίρεση ή πρόσθεση ηλεκτρονίων στην εξωτερική κατειλημμένη στιβάδα. Na: [Ne]3s¹ → Na⁺: [Ne], ενώ Cl: [Ne]3s²3p⁵ → Cl⁻: [Ar]. Η αλλαγή επηρεάζει την ακτίνα επειδή αλλάζουν απώσεις και μερικές φορές ολόκληρη κατειλημμένη στιβάδα.
Στα μεταβατικά μέταλλα αφαιρούνται συνήθως πρώτα τα ns ηλεκτρόνια μετά την κατάληψη του (n−1)d. Έτσι Fe = [Ar]3d⁶4s² και Fe²⁺ = [Ar]3d⁶. Τα Fe²⁺ και Fe³⁺ είναι πραγματικά διαφορετικές καταστάσεις φορτίου με διαφορετικές ηλεκτρονιακές και χημικές ιδιότητες.
Πολυατομικά ιόντα και στερεά
Τα NH₄⁺, SO₄²⁻ και NO₃⁻ είναι φορτισμένες ομάδες με ομοιοπολικούς δεσμούς στο εσωτερικό τους. Το καθαρό φορτίο ανήκει στην ομάδα ως σύνολο και μια τυπική δομή Lewis δεν πρέπει να διαβάζεται σαν ακριβής χάρτης μετρημένου φορτίου σε ένα συγκεκριμένο άτομο.
Σε ιοντικό στερεό τα ιόντα είναι δεσμευμένα σε εκτεταμένο πλέγμα και συνήθως δεν μεταφέρουν εύκολα ηλεκτρικό ρεύμα. Όταν το στερεό λιώσει ή διαλυθεί, κινητά ιόντα μπορούν να μεταφέρουν φορτίο. Στο νερό περιβάλλονται από προσανατολισμένα μόρια νερού και σχηματίζουν κελύφη ενυδάτωσης.
Ενέργεια σχηματισμού ιόντων
Η απομάκρυνση ηλεκτρονίου από ουδέτερο άτομο απαιτεί ενέργεια ιονισμού. Το Na δεν γίνεται αυθόρμητα Na⁺ μόνο επειδή η νέα διαμόρφωση μοιάζει με ευγενές αέριο. Σχηματισμός σταθερού ιοντικού υλικού απαιτεί να ληφθεί υπόψη ολόκληρος ενεργειακός κύκλος.
Στο NaCl το κόστος ιονισμού αντισταθμίζεται από άλλους ευνοϊκούς όρους, κυρίως από την ισχυρή ηλεκτροστατική σταθεροποίηση του κρυσταλλικού πλέγματος. Σε διάλυμα η ενυδάτωση μπορεί να σταθεροποιεί ισχυρά τα ιόντα. Η χημική σταθερότητα είναι συνολικό ενεργειακό ισοζύγιο.
Ισοηλεκτρονιακές σειρές και ουδέτεροι τύποι
Τα O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺, Mg²⁺ και Al³⁺ έχουν όλα 10 ηλεκτρόνια, αλλά η ακτίνα μειώνεται καθώς αυξάνεται το Z: O²⁻ > F⁻ > Ne > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺. Περισσότερα πρωτόνια έλκουν την ίδια ηλεκτρονιακή κατανομή ισχυρότερα.
Μακροσκοπικό ιοντικό υλικό είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Οι μικρότεροι ακέραιοι συντελεστές πρέπει να μηδενίζουν το συνολικό φορτίο: Mg²⁺ + 2Cl⁻ → MgCl₂ και 2Al³⁺ + 3O²⁻ → Al₂O₃. Οι δείκτες στον τύπο δηλώνουν λόγο ιόντων και όχι τα φορτία τους.
Ασκήσεις
Άσκηση 1
Πόσα ηλεκτρόνια έχει Ca²⁺ αν Z = 20;
Λύση: 20 − 2 = 18 ηλεκτρόνια.
Άσκηση 2
Ποιο είναι συνήθως μεγαλύτερο, Na ή Na⁺;
Λύση: Το Na. Ο σχηματισμός Na⁺ αφαιρεί το 3s ηλεκτρόνιο και την εξωτερική n=3 στιβάδα.
Άσκηση 3
Ποιος ουδέτερος τύπος σχηματίζεται από Al³⁺ και O²⁻;
Λύση: Al₂O₃, επειδή 2(+3) + 3(−2) = 0.