Iões

Carga a partir da contagem de eletrões

Para um ião monoatómico:

Al³⁺ tem 13 protões e 10 eletrões. O²⁻ tem 8 protões e 10 eletrões. Ambos são espécies com 10 eletrões, mas as suas cargas nucleares são diferentes.

Configurações eletrónicas dos iões

Os iões dos grupos principais formam-se frequentemente por remoção ou adição de eletrões na camada ocupada mais externa. Na: [Ne]3s¹ torna-se Na⁺: [Ne]. Cl: [Ne]3s²3p⁵ torna-se Cl⁻: [Ar].

Os iões de metais de transição exigem mais cuidado. Embora 4s seja preenchido antes de 3d nos átomos neutros, os eletrões 4s são normalmente removidos primeiro quando o subnível d já está ocupado. Fe escreve-se habitualmente [Ar]3d⁶4s²; Fe²⁺ é [Ar]3d⁶.

Os iões poliatómicos mantêm ligações covalentes no interior

NH₄⁺, SO₄²⁻ e NO₃⁻ são grupos carregados, não átomos carregados isolados. Os seus átomos permanecem ligados por ligações covalentes enquanto o grupo, no conjunto, transporta carga líquida.

As estruturas de Lewis e a ressonância ajudam a representar a distribuição dessa carga. Uma carga formal escrita num átomo numa forma de Lewis não deve ser automaticamente interpretada como uma carga medida e localizada.

Iões em sólidos, fundidos e soluções

Num sólido iónico, os iões ocupam uma rede extensa. Não podem mover-se livremente, pelo que o sólido conduz geralmente mal. Quando fundidos ou dissolvidos, os iões móveis podem transportar carga.

Na água, os iões são solvatados: moléculas polares de água orientam-se à sua volta. A hidratação altera as interações efetivas e é uma componente importante da energética da dissolução.

Ferramenta de contagem de eletrões

Use carga com sinal: +2 para um catião 2+, −1 para um anião 1−.

A formação de iões é um balanço energético

Remover um eletrão de um átomo neutro requer energia de ionização. Adicionar um eletrão envolve uma variação energética de afinidade eletrónica. Na isolado não se transforma espontaneamente em Na⁺ apenas porque Na⁺ tem configuração de gás nobre: é necessário fornecer energia para remover o eletrão.

Na formação de NaCl, esse custo é compensado por outros termos favoráveis, sobretudo pela atração na rede iónica. Em solução, a hidratação pode proporcionar forte estabilização. Iões estáveis resultam do balanço energético total do ambiente químico.

Os iões isoeletrónicos separam número de eletrões e carga nuclear

O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺, Mg²⁺ e Al³⁺ contêm todos 10 eletrões. Os seus tamanhos são, no entanto, diferentes porque os núcleos contêm respetivamente 8, 9, 10, 11, 12 e 13 protões.

Numa série isoeletrónica, mais protões atraem mais fortemente para dentro a mesma população eletrónica.

O balanço de carga determina as fórmulas iónicas

Um composto iónico macroscópico é eletricamente neutro. A razão inteira mais simples entre catiões e aniões deve fazer com que as cargas positiva e negativa totais se anulem.

Os índices descrevem a proporção de iões na unidade de fórmula; não são as próprias cargas.

Carga variável nos metais de transição

Os metais de transição formam frequentemente vários iões estáveis porque os estados ns e (n−1)d têm energias próximas. O ferro forma habitualmente Fe²⁺ e Fe³⁺; o cobre forma Cu⁺ e Cu²⁺.

É por isso que nomes como cloreto de ferro(II) e cloreto de ferro(III) especificam o estado de oxidação. O número romano refere-se à carga do catião nesses compostos iónicos, não ao número de átomos da fórmula.

Ionização, dissociação e dissolução são processos diferentes

Quando NaCl se dissolve, os iões Na⁺ e Cl⁻ já existentes separam-se do cristal e ficam hidratados; isto é dissociação. Quando HCl se dissolve em água, a transferência de protões produz H₃O⁺ e Cl⁻; isto é frequentemente descrito como ionização porque moléculas neutras de HCl formam iões no solvente.

Estes termos não devem ser reduzidos a «o composto transforma-se em iões». O ponto de partida microscópico é diferente: uma rede iónica já contém iões, enquanto uma substância molecular pode criar iões através de uma reação química com o solvente.

Camadas de hidratação e mobilidade iónica

As moléculas de água orientam o lado do oxigénio para os catiões e os lados do hidrogénio para os aniões. A primeira camada de hidratação é estruturada, não aleatória, e iões pequenos fortemente carregados podem ligar água com especial intensidade.

O tamanho hidratado pode inverter expectativas baseadas no raio iónico nu. Li⁺ é um ião nu muito pequeno, mas hidrata-se fortemente, pelo que o seu comportamento hidrodinâmico efetivo em água difere de uma simples comparação de raios cristalinos.

A condutividade elétrica em solução depende tanto do número de portadores de carga como da rapidez com que cada ião hidratado se move através do solvente.

Iões comuns e nomes químicos

Os parênteses nas fórmulas agrupam um ião poliatómico quando é necessário mais do que um: Ca(NO₃)₂ contém dois iões nitrato por cada Ca²⁺.

Exercícios

Ião cálcio

Quantos eletrões existem em Ca²⁺ (Z=20)?

Tamanho relativamente ao átomo

Qual é maior, Na ou Na⁺?

Ferro

Partindo de [Ar]3d⁶4s², escreva Fe³⁺.