Ионы
Ион — атом или связанная группа атомов, у которых число электронов не равно числу протонов, поэтому возникает суммарный электрический заряд. Заряд иона не означает добавление или удаление протонов: в обычной химии Z остаётся постоянным, а меняется число электронов.
Наглядная модель
Интерактивная модель
Заряд из подсчёта электронов
В единицах элементарного заряда q/e = Z − nₑ. Если электронов меньше, чем протонов, образуется катион; если больше — анион. Na⁺ имеет 11 протонов и 10 электронов, Cl⁻ — 17 протонов и 18 электронов.
Ионизация не меняет идентичность элемента. И Na, и Na⁺ имеют Z = 11. Изменение числа протонов было бы уже ядерным превращением, а не химическим образованием иона.
Электронная конфигурация и размер
Катионы главных подгрупп часто образуются удалением электронов с внешней оболочки. Na [Ne]3s¹ → Na⁺ [Ne]: занятая оболочка n=3 исчезает, поэтому катион заметно меньше нейтрального атома.
Добавление электрона при образовании аниона усиливает электрон-электронное отталкивание в валентной области, поэтому анион обычно крупнее. Для переходных металлов ns-электроны обычно удаляются раньше (n−1)d.
Ионные соединения и баланс заряда
Формула ионного соединения должна давать нулевой суммарный заряд. Для Al³⁺ и O²⁻ минимальная комбинация Al₂O₃, потому что 2·(+3)+3·(−2)=0. Индексы следуют из электрической нейтральности.
В кристалле ионы образуют протяжённую решётку. Формульная единица NaCl показывает отношение 1:1, а не наличие изолированной молекулы NaCl. Энергия решётки зависит от зарядов, размеров и пространственного расположения ионов.
Ионы в воде
Полярные молекулы воды стабилизируют ионы гидратацией. Частично отрицательный кислород ориентируется к катиону, а частично положительные атомы водорода — к аниону. Растворимость определяется балансом между разрушением решётки и гидратацией.
В растворе ионы могут перемещаться в электрическом поле и переносить ток. В твёрдом ионном кристалле зарядовые центры закреплены в узлах решётки, поэтому обычная ионная проводимость мала.
Многоатомные и изоэлектронные ионы
В SO₄²⁻ или NH₄⁺ суммарный заряд относится ко всей связанной группе. Структуры Льюиса и формальные заряды помогают описывать распределение электронов, но общий заряд определяется суммой всех зарядов ядер и электронов.
O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺ и Mg²⁺ имеют по 10 электронов. В этом изоэлектронном ряду рост Z усиливает притяжение одинакового электронного набора, поэтому радиус уменьшается от O²⁻ к Mg²⁺.
Задачи
Кальций
Сколько электронов в Ca²⁺ при Z = 20?
Решение: nₑ = 20 − 2 = 18.
Оксид-ион
Сколько электронов в O²⁻ при Z = 8?
Решение: Два дополнительных электрона: nₑ = 10.
Оксид алюминия
Почему формула Al₂O₃?
Решение: 2·(+3)+3·(−2)=0 — минимальное целочисленное соотношение для нейтральности.