Wat zijn ionen en hoe voorspel je hun lading?

Atomen zijn neutraal, ionen niet

Een atoom heeft positief geladen protonen in zijn kern en negatief geladen elektronen eromheen. In een neutraal atoom zijn de aantallen gelijk, dus de ladingen heffen elkaar op. Een natriumatoom heeft 11 protonen en 11 elektronen, dus zijn totale lading is nul.

Bij een chemische reactie verandert de kern niet, maar elektronen kunnen van het ene atoom naar het andere gaan. Als een atoom een ander aantal elektronen dan protonen krijgt, heeft het een totale lading en heet het een ion. Je vindt de lading met één aftrekking: lading = protonen − elektronen.

Kationen en anionen

Wanneer een atoom elektronen afstaat, heeft het meer protonen dan elektronen, dus zijn lading is positief. Een positief ion heet een kation. Natrium staat 1 elektron af: 11 protonen − 10 elektronen = +1, dus het ion is Na⁺. Magnesium staat 2 elektronen af: 12 protonen − 10 elektronen = +2, geschreven als Mg²⁺.

Wanneer een atoom elektronen opneemt, heeft het meer elektronen dan protonen, dus zijn lading is negatief. Een negatief ion heet een anion. Chloor neemt 1 elektron op: 17 protonen − 18 elektronen = −1, dus het ion is Cl⁻. Zuurstof neemt 2 elektronen op: 8 protonen − 10 elektronen = −2, geschreven als O²⁻.

Om een lading te schrijven zet je het getal eerst en het teken daarna, als superscript: Mg²⁺, niet Mg⁺². Als de lading 1 is, laat je het getal weg, zoals in Na⁺ en Cl⁻.

Waarom atomen elektronen opnemen of afstaan

Atomen zijn het stabielst met een volle buitenste schil, zoals de edelgassen. De elektronen van natrium zijn gerangschikt als 2, 8, 1. Door zijn enige buitenste elektron af te staan blijft 2, 8 over, dezelfde rangschikking als neon. Om in plaats daarvan 7 elektronen op te nemen is veel meer energie nodig, dus natrium staat er 1 af.

Chloor is gerangschikt als 2, 8, 7. Door slechts 1 elektron op te nemen krijgt het 2, 8, 8, hetzelfde als argon. In het algemeen hebben metalen maar een paar buitenste elektronen en staan ze die graag af, waarbij kationen ontstaan, terwijl niet-metalen veel buitenste elektronen hebben en er graag nog bij nemen, waarbij anionen ontstaan.

Ladingen voorspellen aan de hand van de groep

Bij hoofdgroepelementen vertelt het periodiek systeem je de gebruikelijke lading. Metalen in groep 1 vormen +1-ionen (Li⁺, Na⁺, K⁺), metalen in groep 2 vormen +2-ionen (Mg²⁺, Ca²⁺) en aluminium, in groep 13, vormt Al³⁺.

Tel aan de rechterkant hoeveel elektronen elk atoom nodig heeft om op 8 te komen. Elementen in groep 15 hebben 5 buitenste elektronen en hebben er 3 meer nodig, dus ze vormen −3-ionen (N³⁻). Elementen in groep 16 hebben er 2 meer nodig en vormen −2-ionen (O²⁻, S²⁻), en elementen in groep 17 hebben er 1 meer nodig en vormen −1-ionen (F⁻, Cl⁻, Br⁻). Edelgassen hebben al een volle schil, dus hun lading is 0. Koolstof en silicium in groep 14 delen meestal elektronen in plaats van eenvoudige ionen te vormen.

Veel overgangsmetalen kunnen meer dan één ion vormen. IJzer vormt Fe²⁺ en Fe³⁺, en koper vormt Cu⁺ en Cu²⁺. In hun namen geeft een Romeins cijfer de lading aan: ijzer(II) betekent Fe²⁺ en ijzer(III) betekent Fe³⁺.

Ionen benoemen en combineren

Een kation behoudt de naam van zijn element: Na⁺ is het natriumion en Ca²⁺ is het calciumion. Een anion van één atoom krijgt de uitgang -ide: chloor wordt chloride (Cl⁻), zuurstof wordt oxide (O²⁻), zwavel wordt sulfide (S²⁻) en stikstof wordt nitride (N³⁻).

In een verbinding moeten de positieve en negatieve ladingen samen nul zijn. Na⁺ en Cl⁻ zijn één op één in evenwicht, wat NaCl geeft, keukenzout. Calciumchloride heeft twee Cl⁻-ionen nodig voor elk Ca²⁺, dus zijn formule is CaCl₂. Aluminiumoxide heeft twee Al³⁺-ionen (samen +6) en drie O²⁻-ionen (samen −6) nodig, dus het is Al₂O₃.