Joner
En jon är en atom eller grupp av atomer med en nettoladdning. Laddningen uppstår eftersom antalet protoner och elektroner inte längre är lika. Kärnan förblir normalt oförändrad vid vanlig jonbildning.
Laddning från elektronbokföringen
För en enatomig jon:
laddning/e = antal protoner − antal elektroner
Al³⁺ har 13 protoner och 10 elektroner. O²⁻ har 8 protoner och 10 elektroner. Båda har 10 elektroner, men deras kärnladdningar skiljer sig.
Elektronkonfigurationer hos joner
Huvudgruppsjoner bildas ofta genom att elektroner i det yttersta besatta skalet avges eller tas upp. Na: [Ne]3s¹ blir Na⁺: [Ne]. Cl: [Ne]3s²3p⁵ blir Cl⁻: [Ar].
Övergångsmetalljoner kräver större försiktighet. Även om 4s fylls före 3d i neutrala atomer tas 4s-elektroner normalt bort först när d-underskalet är besatt. Fe skrivs ofta [Ar]3d⁶4s²; Fe²⁺ är [Ar]3d⁶.
Polyatomära joner behåller kovalenta bindningar inuti gruppen
NH₄⁺, SO₄²⁻ och NO₃⁻ är laddade grupper, inte isolerade laddade atomer. Atomerna förblir bundna med kovalenta bindningar medan gruppen som helhet bär en nettoladdning.
Lewisstrukturer och resonans hjälper till att beskriva hur laddningen fördelas. En formell laddning på en atom i en Lewisform ska inte automatiskt tolkas som en lokaliserad uppmätt laddning.
Joner i fasta ämnen, smältor och lösningar
I ett joniskt fast ämne sitter jonerna i ett utsträckt gitter. De kan inte röra sig fritt, så det fasta ämnet leder normalt dåligt. När ämnet smälts eller löses kan rörliga joner transportera laddning.
I vatten är joner solvatiserade: polära vattenmolekyler orienterar sig runt dem. Hydratisering förändrar de effektiva växelverkningarna och är en viktig del av upplösningens energetik.
Verktyg för elektrontal
Använd laddning med tecken: +2 för en 2+-katjon, −1 för en 1−-anjon.
Jonbildning är en energibalans
Att avlägsna en elektron från en neutral atom kräver joniseringsenergi. Att lägga till en elektron innebär en energiförändring kopplad till elektronaffiniteten. En isolerad Na-atom blir inte spontant Na⁺ bara för att Na⁺ har ädelgaskonfiguration: energi måste tillföras för att avlägsna elektronen.
Vid bildning av NaCl kompenseras denna kostnad av andra gynnsamma bidrag, särskilt attraktionen i jongittret. I lösning kan hydratisering ge stark stabilisering. Stabila joner uppstår ur den totala energibalansen i den kemiska omgivningen.
Isoelektroniska joner skiljer elektrontal från kärnladdning
O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺, Mg²⁺ och Al³⁺ har alla 10 elektroner. Deras storlek skiljer sig ändå eftersom kärnorna innehåller 8, 9, 10, 11, 12 respektive 13 protoner.
O²⁻ > F⁻ > Ne > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺ i radie.
Inom en isoelektronisk serie drar fler protoner samma elektronpopulation starkare inåt.
Laddningsbalans bestämmer jonformler
En makroskopisk jonförening är elektriskt neutral. Det enklaste heltalsförhållandet mellan katjoner och anjoner måste göra att den totala positiva och negativa laddningen tar ut varandra.
| Joner | Neutral formel | Laddningskontroll |
|---|---|---|
| Na⁺ och Cl⁻ | NaCl | +1 −1 = 0 |
| Mg²⁺ och Cl⁻ | MgCl₂ | +2 + 2(−1) = 0 |
| Al³⁺ och O²⁻ | Al₂O₃ | 2(+3) + 3(−2) = 0 |
| Ca²⁺ och PO₄³⁻ | Ca₃(PO₄)₂ | 3(+2) + 2(−3) = 0 |
Index anger förhållandet mellan joner i formelenheten; de är inte själva laddningarna.
Variabel laddning hos övergångsmetaller
Övergångsmetaller bildar ofta flera stabila joner eftersom ns- och (n−1)d-tillstånd ligger nära varandra i energi. Järn bildar ofta Fe²⁺ och Fe³⁺; koppar bildar Cu⁺ och Cu²⁺.
Därför anger namn som järn(II)klorid och järn(III)klorid oxidationstalet. Den romerska siffran syftar på katjonens laddning i dessa jonföreningar, inte på antalet atomer i formeln.
Jonisering, dissociation och upplösning är olika processer
När NaCl löses upp separeras redan befintliga Na⁺- och Cl⁻-joner från kristallen och hydratiseras; detta är dissociation. När HCl löses i vatten ger protonöverföring H₃O⁺ och Cl⁻; detta beskrivs ofta som jonisering eftersom neutrala HCl-molekyler bildar joner i lösningsmedlet.
Dessa processer bör inte slås ihop till “föreningen blir joner”. Den mikroskopiska utgångspunkten skiljer sig: ett jongitter innehåller redan joner, medan ett molekylärt ämne kan skapa joner genom en kemisk reaktion med lösningsmedlet.
Hydratiseringsskal och jonrörlighet
Vattenmolekyler orienterar sin syresida mot katjoner och sina vätesidor mot anjoner. Det första hydratiseringsskalet är strukturerat snarare än slumpmässigt, och små starkt laddade joner kan binda vatten särskilt hårt.
Hydratiserad storlek kan vända förväntningar baserade på den bara jonradien. Li⁺ är en mycket liten bar jon men hydratiseras starkt, så dess effektiva hydrodynamiska beteende i vatten följer inte enkelt av en jämförelse av kristallradier.
Elektrisk ledningsförmåga i lösning beror både på antalet laddningsbärare och på hur snabbt varje hydratiserad jon rör sig genom lösningsmedlet.
Vanliga joner och kemiska namn
| Jon | Namn | Kommentar |
|---|---|---|
| NH₄⁺ | ammonium | vanlig polyatomär katjon |
| OH⁻ | hydroxid | syra-baskemi |
| NO₃⁻ | nitrat | resonansdelokaliserad anjon |
| SO₄²⁻ | sulfat | 2−-oxoanjon |
| CO₃²⁻ | karbonat | central i syra-basjämvikter |
| PO₄³⁻ | fosfat | 3−-oxoanjon |
Parenteser i formler grupperar en polyatomär jon när fler än en behövs: Ca(NO₃)₂ innehåller två nitratjoner per Ca²⁺.
Jonpar: i koncentrerade lösningar kan motsatt laddade joner förbli associerade en del av tiden. Ledningsförmåga och termodynamiskt beteende kan därför avvika från en ideal bild av helt oberoende hydratiserade joner.
Laddningstäthet spelar roll: en liten 2+-jon som Mg²⁺ polariserar närliggande lösningsmedel eller anjoner mycket starkare än en stor 1+-jon. Jonladdningen ensam räcker inte för att förutsäga växelverkanens styrka.
Övningar
Kalciumjon
Hur många elektroner finns i Ca²⁺ (Z=20)?
Lösning
18 elektroner.
Storlek jämfört med atomen
Vilken är större, Na eller Na⁺?
Lösning
Na. När Na⁺ bildas avlägsnas 3s-elektronen och hela n=3-valensskalet.
Järn
Utgå från [Ar]3d⁶4s² och ange Fe³⁺.
Lösning
Avlägsna två 4s-elektroner och därefter en 3d-elektron: [Ar]3d⁵.