ไอออน

ไอออนเกิดเมื่อจำนวนโปรตอนกับอิเล็กตรอนไม่สมดุลกัน การเสียอิเล็กตรอนทำให้ประจุสุทธิเป็นบวกมากขึ้น ส่วนการรับอิเล็กตรอนทำให้เป็นลบมากขึ้น โดยเอกลักษณ์ของธาตุยังคงกำหนดจากจำนวนโปรตอน

เริ่มจากการนับประจุ

ถ้ามีโปรตอน N_p และอิเล็กตรอน N_e เลขประจุสุทธิคือ z = N_p − N_e ตัวอย่าง 11 โปรตอนกับ 10 อิเล็กตรอนให้ z = +1 จึงเป็น Na⁺; 17 โปรตอนกับ 18 อิเล็กตรอนให้ z = −1 จึงเป็น Cl⁻ การเปลี่ยนอิเล็กตรอนไม่เปลี่ยนเลขอะตอม Z

เหตุใดอะตอมจึงสร้างไอออน

อะตอมอาจเสียหรือรับอิเล็กตรอนเมื่อทำให้พลังงานรวมของระบบเหมาะสมกว่า อิเล็กตรอนเวเลนซ์ช่วยคาดแนวโน้มของธาตุหมู่หลักได้ แต่แนวคิดว่าอะตอมทุกชนิดเพียงต้องการเหมือนแก๊สมีตระกูลเป็นแบบจำลองเริ่มต้นที่ง่ายเกินไป พลังงานไอออไนเซชัน สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน พลังงานโครงผลึก และการละลายมีบทบาทด้วย

ไอออนหลายอะตอม

NH₄⁺, SO₄²⁻ และ NO₃⁻ มีประจุที่เป็นของทั้งกลุ่ม เลขห้อยในสูตรบอกจำนวนอะตอม ส่วนเลขยกกำลังบอกประจุสุทธิ ใน CaCl₂ ไอออน Ca²⁺ หนึ่งตัวสมดุลกับ Cl⁻ สองตัว

อนุกรมไอโซอิเล็กทรอนิก

O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺ และ Mg²⁺ มีอิเล็กตรอนอย่างละ 10 ตัว แต่ Z เพิ่มจาก 8 ถึง 12 เมื่อจำนวนอิเล็กตรอนคงที่ นิวเคลียสที่มีโปรตอนมากกว่าจะดึงเมฆอิเล็กตรอนแรงกว่า ดังนั้นรัศมีโดยทั่วไปลดจาก O²⁻ ไป Mg²⁺

รัศมีไอออน

แคตไอออนมักเล็กกว่าอะตอมเป็นกลางของธาตุเดียวกัน เพราะแรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนลดลงและบางครั้งสูญเสียชั้นนอกทั้งหมด แอนไอออนมักใหญ่ขึ้น แต่รัศมีในผลึกเป็นปริมาณเชิงแบบจำลองที่ขึ้นกับเลขโคออร์ดิเนชันและสถานะออกซิเดชันด้วย

การจัดอิเล็กตรอนของไอออน

สำหรับแคตไอออนของธาตุหมู่หลัก อิเล็กตรอนในระดับ n ที่อยู่นอกสุดมักถูกดึงออกก่อน ในโลหะแทรนซิชันลำดับการดึงออกไม่ใช่เพียงย้อนลำดับ Aufbau ที่เขียนไว้ ตัวอย่างเช่นอิเล็กตรอน 4s มักออกก่อน 3d เพราะลำดับพลังงานเปลี่ยนเมื่อเกิดไอออน

วิธีที่ปลอดภัยคือเริ่มจากจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดของไอออน แล้วตรวจการจัดเรียงกับพลังงานออร์บิทัลที่เหมาะกับสถานะประจุนั้น ไม่ใช่ลบเลขตัวท้ายของสัญกรณ์อย่างกลไก

การแตกตัวกับการเกิดไอออน

เมื่อ NaCl(s) ละลายน้ำ ไอออน Na⁺ และ Cl⁻ ที่มีอยู่แล้วในโครงผลึกแยกออกและถูกน้ำโอบล้อม กระบวนการนี้ต่างจากโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยากับน้ำแล้วสร้างไอออนใหม่ การแยกคำว่า การแตกตัว กับ การเกิดไอออน ช่วยให้กลไกทางเคมีชัดเจนขึ้น

ไอออนในสารละลายและการนำไฟฟ้า

เมื่อเกลือไอออนิกละลายน้ำ ไอออนที่เคลื่อนที่ได้สามารถพาประจุผ่านสารละลาย จึงทำให้สารละลายนำไฟฟ้า แต่การนำไฟฟ้าขึ้นกับจำนวนไอออน ประจุ การเคลื่อนที่ และปฏิสัมพันธ์กับตัวทำละลาย ไม่ได้ขึ้นกับการมีเครื่องหมาย + หรือ − ในสูตรเพียงอย่างเดียว

ของแข็งไอออนิกจำนวนมากไม่นำไฟฟ้าดีในสถานะแข็ง เพราะไอออนถูกตรึงในโครงผลึก แม้ว่าจะมีอนุภาคมีประจุอยู่มากก็ตาม เมื่อหลอมเหลวหรือบางชนิดละลาย ไอออนจึงเคลื่อนที่ได้

แบบฝึกหัด

Cl⁻

17 โปรตอนและ 18 อิเล็กตรอน

เฉลย: z = −1 จึงเป็น Cl⁻

Mg²⁺

12 โปรตอนและ 10 อิเล็กตรอน

เฉลย: z = +2 จึงเป็น Mg²⁺

ใครเล็กที่สุด

เปรียบเทียบ Ne, Na⁺, Mg²⁺

เฉลย: ทั้งหมดมี 10 อิเล็กตรอน แต่ Mg²⁺ มีโปรตอนมากสุด จึงมักมีรัศมีเล็กสุด