Ioni
Uno ione è un atomo o un gruppo di atomi con carica elettrica netta. La carica compare perché il numero di protoni e quello di elettroni non coincidono più. Nella normale formazione di ioni, il nucleo rimane generalmente invariato.
Carica dal conteggio degli elettroni
Per uno ione monoatomico:
carica/e = numero di protoni − numero di elettroni
Al³⁺ ha 13 protoni e 10 elettroni. O²⁻ ha 8 protoni e 10 elettroni. Entrambe sono specie a 10 elettroni, ma le loro cariche nucleari sono diverse.
Configurazioni elettroniche degli ioni
Gli ioni dei gruppi principali si formano spesso rimuovendo o aggiungendo elettroni nel guscio occupato più esterno. Na: [Ne]3s¹ diventa Na⁺: [Ne]. Cl: [Ne]3s²3p⁵ diventa Cl⁻: [Ar].
Gli ioni dei metalli di transizione richiedono più attenzione. Sebbene 4s si riempia prima di 3d negli atomi neutri, una volta occupato il sottolivello d gli elettroni 4s vengono normalmente rimossi per primi. Fe si scrive comunemente [Ar]3d⁶4s²; Fe²⁺ è [Ar]3d⁶.
Gli ioni poliatomici mantengono legami covalenti al loro interno
NH₄⁺, SO₄²⁻ e NO₃⁻ sono gruppi carichi, non atomi carichi isolati. I loro atomi rimangono collegati da legami covalenti mentre il gruppo nel suo complesso porta una carica netta.
Le strutture di Lewis e la risonanza aiutano a rappresentare la distribuzione di quella carica. Una carica formale scritta su un atomo in una forma di Lewis non deve essere interpretata automaticamente come una carica misurata e localizzata.
Ioni nei solidi, nei fusi e nelle soluzioni
In un solido ionico, gli ioni occupano un reticolo esteso. Non possono muoversi liberamente, quindi il solido conduce generalmente poco. Quando è fuso o disciolto, gli ioni mobili possono trasportare carica.
In acqua gli ioni sono solvattati: le molecole polari d’acqua si orientano attorno a essi. L’idratazione modifica le interazioni effettive ed è una componente importante dell’energetica di dissoluzione.
Strumento per il conteggio degli elettroni
Usa la carica con segno: +2 per un catione 2+, −1 per un anione 1−.
La formazione di ioni è un bilancio energetico
Rimuovere un elettrone da un atomo neutro richiede energia di ionizzazione. Aggiungere un elettrone comporta una variazione energetica di affinità elettronica. Na isolato non diventa spontaneamente Na⁺ solo perché Na⁺ ha configurazione da gas nobile: bisogna fornire energia per rimuovere l’elettrone.
Nella formazione di NaCl, questo costo è compensato da altri contributi favorevoli, soprattutto dall’attrazione nel reticolo ionico. In soluzione, l’idratazione può fornire forte stabilizzazione. Gli ioni stabili derivano dal bilancio energetico totale dell’ambiente chimico.
Gli ioni isoelettronici separano numero di elettroni e carica nucleare
O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺, Mg²⁺ e Al³⁺ contengono tutti 10 elettroni. Le loro dimensioni sono tuttavia diverse perché i nuclei contengono rispettivamente 8, 9, 10, 11, 12 e 13 protoni.
O²⁻ > F⁻ > Ne > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺ nel raggio.
All’interno di una serie isoelettronica, più protoni attirano più fortemente verso l’interno la stessa popolazione elettronica.
Il bilancio delle cariche determina le formule ioniche
Un composto ionico macroscopico è elettricamente neutro. Il più semplice rapporto intero tra cationi e anioni deve far annullare le cariche positive e negative totali.
| Ioni | Formula neutra | Verifica delle cariche |
|---|---|---|
| Na⁺ e Cl⁻ | NaCl | +1 −1 = 0 |
| Mg²⁺ e Cl⁻ | MgCl₂ | +2 + 2(−1) = 0 |
| Al³⁺ e O²⁻ | Al₂O₃ | 2(+3) + 3(−2) = 0 |
| Ca²⁺ e PO₄³⁻ | Ca₃(PO₄)₂ | 3(+2) + 2(−3) = 0 |
I pedici descrivono il rapporto tra gli ioni nell’unità formula; non sono le cariche stesse.
Carica variabile nei metalli di transizione
I metalli di transizione formano spesso più ioni stabili perché gli stati ns e (n−1)d sono vicini in energia. Il ferro forma comunemente Fe²⁺ e Fe³⁺; il rame Cu⁺ e Cu²⁺.
Per questo nomi come cloruro di ferro(II) e cloruro di ferro(III) specificano lo stato di ossidazione. Il numero romano si riferisce alla carica del catione in quei composti ionici, non al numero di atomi nella formula.
Ionizzazione, dissociazione e dissoluzione sono processi diversi
Quando NaCl si scioglie, gli ioni Na⁺ e Cl⁻ già presenti si separano dal cristallo e vengono idratati; questa è dissociazione. Quando HCl si scioglie in acqua, il trasferimento di protoni produce H₃O⁺ e Cl⁻; questo viene spesso descritto come ionizzazione perché molecole neutre di HCl formano ioni nel solvente.
Questi termini non vanno ridotti a «il composto diventa ioni». Il punto di partenza microscopico è diverso: un reticolo ionico contiene già ioni, mentre una sostanza molecolare può creare ioni attraverso una reazione chimica con il solvente.
Gusci di idratazione e mobilità ionica
Le molecole d’acqua orientano il lato dell’ossigeno verso i cationi e i lati dell’idrogeno verso gli anioni. Il primo guscio di idratazione è strutturato, non casuale, e piccoli ioni fortemente carichi possono legare l’acqua in modo particolarmente intenso.
La dimensione idratata può invertire le aspettative basate sul raggio ionico nudo. Li⁺ è uno ione nudo molto piccolo ma si idrata fortemente, quindi il suo comportamento idrodinamico effettivo in acqua non si deduce da un semplice confronto dei raggi cristallini.
La conducibilità elettrica in soluzione dipende sia dal numero di portatori di carica sia dalla velocità con cui ogni ione idratato si muove nel solvente.
Ioni comuni e nomi chimici
| Ione | Nome | Nota |
|---|---|---|
| NH₄⁺ | ammonio | comune catione poliatomico |
| OH⁻ | idrossido | chimica delle basi |
| NO₃⁻ | nitrato | anione delocalizzato per risonanza |
| SO₄²⁻ | solfato | ossoanione 2− |
| CO₃²⁻ | carbonato | centrale negli equilibri acido–base |
| PO₄³⁻ | fosfato | ossoanione 3− |
Le parentesi nelle formule raggruppano uno ione poliatomico quando ne serve più di uno: Ca(NO₃)₂ contiene due ioni nitrato per ogni Ca²⁺.
Associazione ionica: nelle soluzioni concentrate, ioni di carica opposta possono rimanere associati per una parte del tempo. Conducibilità e comportamento termodinamico possono quindi deviare dal modello ideale di ioni idratati completamente indipendenti.
La densità di carica conta: un piccolo ione 2+ come Mg²⁺ polarizza il solvente o gli anioni vicini molto più fortemente di un grande ione 1+. La sola carica ionica non basta a prevedere la forza dell’interazione.
Esercizi
Ione calcio
Quanti elettroni contiene Ca²⁺ (Z=20)?
Soluzione
18 elettroni.
Dimensione rispetto all’atomo
Quale è più grande, Na o Na⁺?
Soluzione
Na. Formare Na⁺ rimuove l’elettrone 3s e l’intero guscio di valenza n=3.
Ferro
Partendo da [Ar]3d⁶4s², scrivi Fe³⁺.
Soluzione
Rimuovi due elettroni 4s e poi un elettrone 3d: [Ar]3d⁵.