Йони
Йон — атом або зв’язана група атомів, у яких число електронів не дорівнює числу протонів, тому виникає сумарний електричний заряд. Заряд йона не означає додавання чи видалення протонів: у звичайній хімії Z залишається сталим, а змінюється кількість електронів.
Наочна модель
Інтерактивна модель
Заряд із підрахунку електронів
В одиницях елементарного заряду q/e = Z − nₑ. Якщо електронів менше, ніж протонів, утворюється катіон; якщо більше — аніон. Na⁺ має 11 протонів і 10 електронів, Cl⁻ — 17 протонів і 18 електронів.
Йонізація не змінює ідентичність елемента. І Na, і Na⁺ мають Z = 11. Зміна кількості протонів була б уже ядерним перетворенням, а не хімічним утворенням йона.
Електронна конфігурація та розмір
Катіони головних підгруп часто утворюються видаленням електронів із зовнішньої оболонки. Na [Ne]3s¹ → Na⁺ [Ne]: зайнята оболонка n=3 зникає, тому катіон помітно менший за нейтральний атом.
Додавання електрона під час утворення аніона посилює електрон-електронне відштовхування у валентній області, тому аніон зазвичай більший. Для перехідних металів ns-електрони зазвичай видаляються раніше за (n−1)d.
Йонні сполуки та баланс заряду
Формула йонної сполуки має давати нульовий сумарний заряд. Для Al³⁺ та O²⁻ мінімальна комбінація Al₂O₃, бо 2·(+3)+3·(−2)=0. Індекси випливають з електричної нейтральності.
У кристалі йони утворюють протяжну ґратку. Формульна одиниця NaCl показує співвідношення 1:1, а не наявність ізольованої молекули NaCl. Енергія ґратки залежить від зарядів, розмірів і просторового розташування йонів.
Йони у воді
Полярні молекули води стабілізують йони гідратацією. Частково негативний кисень орієнтується до катіона, а частково позитивні атоми водню — до аніона. Розчинність визначається балансом між руйнуванням ґратки та гідратацією.
У розчині йони можуть переміщуватися в електричному полі та переносити струм. У твердому йонному кристалі заряджені центри закріплені у вузлах ґратки, тому звичайна йонна провідність мала.
Багатоатомні та ізоелектронні йони
У SO₄²⁻ або NH₄⁺ сумарний заряд належить усій зв’язаній групі. Структури Льюїса й формальні заряди допомагають описати розподіл електронів, але загальний заряд визначається сумою всіх зарядів ядер і електронів.
O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺ і Mg²⁺ мають по 10 електронів. У цьому ізоелектронному ряді зростання Z посилює притягання однакового набору електронів, тому радіус зменшується від O²⁻ до Mg²⁺.
Вправи
Кальцій
Скільки електронів у Ca²⁺ при Z = 20?
Розв’язання: nₑ = 20 − 2 = 18.
Оксид-йон
Скільки електронів у O²⁻ при Z = 8?
Розв’язання: Два додаткові електрони: nₑ = 10.
Оксид алюмінію
Чому формула Al₂O₃?
Розв’язання: 2·(+3)+3·(−2)=0 — мінімальне цілочисельне співвідношення для нейтральності.