イオンとは何か、電荷はどう予測する？

原子は中性、イオンはそうではない

原子には、原子核に正の電荷をもつ陽子があり、そのまわりに負の電荷をもつ電子があります。中性の原子では両者の数が等しいので、電荷は打ち消し合います。ナトリウム原子は陽子が11個、電子が11個なので、全体の電荷はゼロです。

化学反応では、原子核は変わりませんが、電子は1つの原子から別の原子へ移ることがあります。原子の電子の数が陽子の数と違うものになると、全体として電荷をもち、イオンとよばれます。電荷は1回の引き算で求められます。電荷＝陽子の数−電子の数。

陽イオンと陰イオン

原子が電子を失うと、陽子のほうが電子より多くなるので、電荷は正になります。正のイオンを陽イオンといいます。ナトリウムは電子を1個失います。陽子11個 − 電子10個 = +1 なので、イオンは Na⁺ です。マグネシウムは電子を2個失います。陽子12個 − 電子10個 = +2 で、Mg²⁺ と書きます。

原子が電子を得ると、電子のほうが陽子より多くなるので、電荷は負になります。負のイオンを陰イオンといいます。塩素は電子を1個得ます。陽子17個 − 電子18個 = −1 なので、イオンは Cl⁻ です。酸素は電子を2個得ます。陽子8個 − 電子10個 = −2 で、O²⁻ と書きます。

電荷を書くときは、数字を先に、符号を後にして右上に書きます。Mg⁺² ではなく Mg²⁺ です。電荷が1のときは数字を省き、Na⁺ や Cl⁻ のように書きます。

原子が電子を得たり失ったりする理由

原子は、貴ガスのように最外殻が満たされているときに最も安定します。ナトリウムの電子は2、8、1と並んでいます。1個の外側の電子を失うと2、8となり、ネオンと同じ配置になります。代わりに7個の電子を得るにははるかに多くのエネルギーが必要なので、ナトリウムは1個を失います。

塩素は2、8、7と並んでいます。たった1個の電子を得れば2、8、8となり、アルゴンと同じになります。一般に、金属は外側の電子が少なく、それを失って陽イオンになりやすく、非金属は外側の電子が多く、さらに得て陰イオンになりやすい性質があります。

族から電荷を予測する

主要族の元素では、周期表がふつうの電荷を教えてくれます。第1族の金属は+1のイオン（Li⁺、Na⁺、K⁺）、第2族の金属は+2のイオン（Mg²⁺、Ca²⁺）になり、第13族のアルミニウムは Al³⁺ になります。

右側では、各原子が8個に達するのにあと何個の電子が必要かを数えます。第15族の元素は外側の電子が5個で、あと3個必要なので、−3のイオン（N³⁻）になります。第16族の元素はあと2個必要で−2のイオン（O²⁻、S²⁻）、第17族の元素はあと1個必要で−1のイオン（F⁻、Cl⁻、Br⁻）になります。貴ガスはすでに殻が満たされているので、電荷は0です。第14族の炭素とケイ素は、単純なイオンになるのではなく、通常は電子を共有します。

多くの遷移金属は、複数のイオンになることができます。鉄は Fe²⁺ と Fe³⁺、銅は Cu⁺ と Cu²⁺ になります。名前では、電荷を示すためにローマ数字を使います。鉄(II) は Fe²⁺、鉄(III) は Fe³⁺ を意味します。

イオンの名前のつけ方と組み合わせ方

陽イオンは元素の名前をそのまま使います。Na⁺ はナトリウムイオン、Ca²⁺ はカルシウムイオンです。1原子の陰イオンは、名前の語尾が「〜化物イオン」（英語では -ide）になります。塩素は塩化物イオン（Cl⁻）、酸素は酸化物イオン（O²⁻）、硫黄は硫化物イオン（S²⁻）、窒素は窒化物イオン（N³⁻）になります。

化合物では、正と負の電荷の合計がゼロにならなければなりません。Na⁺ と Cl⁻ は1対1でつり合い、食卓塩の NaCl になります。塩化カルシウムは、Ca²⁺ 1個につき Cl⁻ が2個必要なので、化学式は CaCl₂ です。酸化アルミニウムは、Al³⁺ が2個（合計+6）と O²⁻ が3個（合計−6）必要なので、Al₂O₃ になります。