Йони
Йон — атом або молекулярна частинка з ненульовим сумарним зарядом через втрату або приєднання електронів. Катіон позитивний, аніон негативний. У звичайній хімічній йонізації число протонів не змінюється.
Катіони
Втрата електронів залишає надлишок позитивного ядерного заряду. Метали головних груп часто утворюють катіони, наприклад Na→Na⁺+e⁻.
Аніони
Приєднання електрона може дати негативний заряд, як Cl+e⁻→Cl⁻. Енергетика процесу залежить від електронної спорідненості та середовища, а не лише від бажання “завершити октет”.
Розмір
Катіон зазвичай менший за нейтральний атом, а аніон більший. У катіоні менше електрон-електронного відштовхування і часто зникає зовнішня оболонка; в аніоні хмара розширюється.
Ізоелектронність
O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺ і Mg²⁺ мають однакові 10 електронів. Радіус у такому ряді зменшується зі зростанням Z.
Розчинення
У полярному розчиннику йони оточуються сольватаційною оболонкою. Гідратація може сильно стабілізувати заряд і змінює ефективний розмір, рухливість та енергію йона.
Йонна решітка
У кристалі заряджені йони взаємодіють з багатьма сусідами. Енергія решітки залежить від зарядів, відстаней і структури та може стабілізувати йони, несприятливі як ізольовані газові частинки.
Поліатомні йони
Йон може містити багато атомів, як SO₄²⁻ або NH₄⁺. Заряд належить усій електронній структурі й часто делокалізований, а не сидить на одному атомі.
Провідність
Розчин або розплав проводить струм, якщо йони можуть рухатися. Твердий йонний кристал часто проводить погано, бо носії закріплені у вузлах.
Йон у газі, кристалі та розчині — різні енергетичні ситуації
Позначення Na⁺ або Cl⁻ задає формальний заряд частинки, але її стабільність залежить від середовища. Ізольоване утворення йона в газовій фазі може вимагати значної енергії, тоді як у кристалі електростатична енергія решітки стабілізує заряджені частинки, а у воді це робить сольватація. Тому не можна передбачити існування солі лише з першої енергії йонізації чи спорідненості до електрона. Потрібен повний цикл енергетичних внесків. Розмір йона також контекстний: кристалічний радіус і ефективний гідродинамічний розмір гідратованого йона можуть відрізнятися.
Ізоелектронні йони і розмір
Порівняння йонів з однаковим числом електронів особливо наочно показує роль ядра. O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺ і Mg²⁺ мають по десять електронів, але зі зростанням Z електронна хмара стискається. Тому O²⁻ найбільший у цьому ряду, а Mg²⁺ — найменший. Це пояснення точніше за правило “катіони маленькі, а аніони великі”, бо воно вказує фізичну причину і дозволяє робити кількісно правильні порівняння між різними елементами.
Вправа
Чи змінюється елемент, коли Na стає Na⁺?
Розв’язання
Ні. Z залишається 11; змінюється лише число електронів.