Ionen

Lading uit de elektronenboekhouding

Voor een eenatomig ion:

Al³⁺ heeft 13 protonen en 10 elektronen. O²⁻ heeft 8 protonen en 10 elektronen. Beide hebben 10 elektronen, maar hun kernlading verschilt.

Elektronenconfiguraties van ionen

Hoofdgroepionen ontstaan vaak door elektronen uit de buitenste bezette schil af te staan of op te nemen. Na: [Ne]3s¹ wordt Na⁺: [Ne]. Cl: [Ne]3s²3p⁵ wordt Cl⁻: [Ar].

Bij overgangsmetaalionen is meer zorg nodig. Hoewel 4s in neutrale atomen vóór 3d wordt gevuld, worden 4s-elektronen meestal als eerste verwijderd zodra de d-subschil bezet is. Fe wordt vaak geschreven als [Ar]3d⁶4s²; Fe²⁺ is [Ar]3d⁶.

Polyatomische ionen behouden covalente bindingen binnen de groep

NH₄⁺, SO₄²⁻ en NO₃⁻ zijn geladen groepen, geen afzonderlijke geladen atomen. Hun atomen blijven covalent gebonden terwijl de groep als geheel een netto lading draagt.

Lewisstructuren en resonantie helpen die lading te verdelen. Een formele lading op één atoom in één Lewisvorm mag niet automatisch worden opgevat als een gelokaliseerde, gemeten lading.

Ionen in vaste stoffen, smelten en oplossingen

In een ionische vaste stof bevinden ionen zich in een uitgebreid rooster. Ze kunnen niet vrij bewegen, waardoor de vaste stof meestal slecht geleidt. In een smelt of oplossing kunnen mobiele ionen lading vervoeren.

In water zijn ionen gesolvateerd: polaire watermoleculen richten zich rond de ionen. Hydratatie verandert de effectieve interacties en vormt een belangrijk deel van de energetica van oplossen.

Hulpmiddel voor het tellen van elektronen

Gebruik een lading met teken: +2 voor een 2+-kation, −1 voor een 1−-anion.

Ionvorming is een energiebalans

Een elektron uit een neutraal atoom verwijderen vereist ionisatie-energie. Een elektron toevoegen gaat gepaard met een energieverandering van de elektronenaffiniteit. Een geïsoleerd Na-atoom wordt niet spontaan Na⁺ alleen omdat Na⁺ een edelgasconfiguratie heeft: er moet energie worden toegevoerd om het elektron te verwijderen.

Bij de vorming van NaCl wordt die kost gecompenseerd door andere gunstige termen, vooral aantrekking in het ionrooster. In oplossing kan hydratatie sterke stabilisatie geven. Stabiele ionen ontstaan uit de totale energiebalans van de chemische omgeving.

Iso-elektronische ionen scheiden elektronengetal van kernlading

O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺, Mg²⁺ en Al³⁺ bevatten allemaal 10 elektronen. Toch verschillen hun afmetingen, omdat hun kernen respectievelijk 8, 9, 10, 11, 12 en 13 protonen bevatten.

Binnen één iso-elektronische reeks trekt een groter aantal protonen dezelfde elektronenpopulatie sterker naar binnen.

Ladingsbalans bepaalt ionformules

Een macroscopische ionverbinding is elektrisch neutraal. De eenvoudigste gehele verhouding van kationen en anionen moet de totale positieve en negatieve lading laten opheffen.

Subscripts geven de verhouding van ionen in de formule-eenheid aan; het zijn niet de ladingen zelf.

Variabele lading bij overgangsmetalen

Overgangsmetalen vormen vaak meerdere stabiele ionen omdat ns- en (n−1)d-toestanden dicht bij elkaar in energie liggen. IJzer vormt vaak Fe²⁺ en Fe³⁺; koper vormt Cu⁺ en Cu²⁺.

Daarom specificeren namen als ijzer(II)chloride en ijzer(III)chloride de oxidatietoestand. Het Romeinse cijfer verwijst naar de kationlading in die ionverbindingen, niet naar het aantal atomen in de formule.

Ionisatie, dissociatie en oplossen zijn verschillende processen

Wanneer NaCl oplost, scheiden de reeds aanwezige Na⁺- en Cl⁻-ionen zich van het kristal en worden ze gehydrateerd; dit heet dissociatie. Wanneer HCl in water oplost, levert protonoverdracht H₃O⁺ en Cl⁻; dit wordt vaak ionisatie genoemd omdat neutrale HCl-moleculen ionen vormen in het oplosmiddel.

Deze processen mogen niet worden samengevat als “de verbinding wordt ionen”. Het microscopische uitgangspunt verschilt: een ionrooster bevat al ionen, terwijl een moleculaire stof via een chemische reactie met het oplosmiddel ionen kan vormen.

Hydratatieschillen en ionmobiliteit

Watermoleculen richten hun zuurstofzijde naar kationen en hun waterstofzijden naar anionen. De eerste hydratatieschil is geordend en niet willekeurig; kleine sterk geladen ionen kunnen water bijzonder sterk binden.

De gehydrateerde grootte kan verwachtingen op basis van de kale ionstraal omkeren. Li⁺ is als kaal ion zeer klein, maar hydrateert sterk; zijn effectieve hydrodynamische gedrag in water volgt dus niet eenvoudig uit een vergelijking van kristalstralen.

De elektrische geleidbaarheid van een oplossing hangt zowel af van het aantal ladingsdragers als van de snelheid waarmee elk gehydrateerd ion door het oplosmiddel beweegt.

Veelvoorkomende ionen en chemische namen

Haakjes in formules groeperen een polyatomisch ion wanneer er meer dan één nodig is: Ca(NO₃)₂ bevat twee nitraationen per Ca²⁺.

Oefeningen

Calciumion

Hoeveel elektronen heeft Ca²⁺ (Z=20)?

Grootte ten opzichte van het atoom

Welke is groter, Na of Na⁺?

IJzer

Geef vanuit [Ar]3d⁶4s² de configuratie van Fe³⁺.