Czym są jony i jak przewidzieć ich ładunek?

Atomy są obojętne, jony nie

Atom ma w jądrze dodatnio naładowane protony, a wokół niego ujemnie naładowane elektrony. W atomie obojętnym ich liczby są równe, więc ładunki się znoszą. Atom sodu ma 11 protonów i 11 elektronów, więc jego ładunek wypadkowy wynosi zero.

W reakcji chemicznej jądro się nie zmienia, ale elektrony mogą przechodzić z jednego atomu na drugi. Jeśli atom ma w końcu inną liczbę elektronów niż protonów, ma ładunek wypadkowy i nazywa się jonem. Ładunek znajdziesz jednym odejmowaniem: ładunek = protony − elektrony.

Kationy i aniony

Gdy atom oddaje elektrony, ma więcej protonów niż elektronów, więc jego ładunek jest dodatni. Jon dodatni nazywa się kationem. Sód oddaje 1 elektron: 11 protonów − 10 elektronów = +1, więc jon to Na⁺. Magnez oddaje 2 elektrony: 12 protonów − 10 elektronów = +2, co zapisujemy jako Mg²⁺.

Gdy atom przyjmuje elektrony, ma więcej elektronów niż protonów, więc jego ładunek jest ujemny. Jon ujemny nazywa się anionem. Chlor przyjmuje 1 elektron: 17 protonów − 18 elektronów = −1, więc jon to Cl⁻. Tlen przyjmuje 2 elektrony: 8 protonów − 10 elektronów = −2, co zapisujemy jako O²⁻.

Aby zapisać ładunek, umieść liczbę na pierwszym miejscu, a znak na drugim, w indeksie górnym: Mg²⁺, a nie Mg⁺². Jeśli ładunek wynosi 1, pomiń liczbę, jak w Na⁺ i Cl⁻.

Dlaczego atomy przyjmują lub oddają elektrony

Atomy są najtrwalsze z pełną powłoką zewnętrzną, jak gazy szlachetne. Elektrony sodu są rozmieszczone 2, 8, 1. Oddanie jedynego elektronu zewnętrznego zostawia układ 2, 8, taki sam jak w neonie. Przyjęcie zamiast tego 7 elektronów wymagałoby znacznie więcej energii, więc sód oddaje 1.

Chlor ma układ 2, 8, 7. Przyjęcie zaledwie 1 elektronu daje mu 2, 8, 8, czyli tak jak w argonie. Ogólnie metale mają tylko kilka elektronów zewnętrznych i skłonność do ich oddawania, tworząc kationy, natomiast niemetale mają wiele elektronów zewnętrznych i skłonność do przyjmowania kolejnych, tworząc aniony.

Przewidywanie ładunków na podstawie grupy

Dla pierwiastków grup głównych układ okresowy podpowiada zwykły ładunek. Metale grupy 1 tworzą jony +1 (Li⁺, Na⁺, K⁺), metale grupy 2 tworzą jony +2 (Mg²⁺, Ca²⁺), a glin z grupy 13 tworzy Al³⁺.

Po prawej stronie policz, ile elektronów potrzebuje każdy atom, by dojść do 8. Pierwiastki grupy 15 mają 5 elektronów zewnętrznych i potrzebują jeszcze 3, więc tworzą jony −3 (N³⁻). Pierwiastki grupy 16 potrzebują jeszcze 2 i tworzą jony −2 (O²⁻, S²⁻), a pierwiastki grupy 17 potrzebują jeszcze 1 i tworzą jony −1 (F⁻, Cl⁻, Br⁻). Gazy szlachetne mają już pełną powłokę, więc ich ładunek wynosi 0. Węgiel i krzem z grupy 14 zwykle uwspólniają elektrony zamiast tworzyć proste jony.

Wiele metali przejściowych może tworzyć więcej niż jeden jon. Żelazo tworzy Fe²⁺ i Fe³⁺, a miedź tworzy Cu⁺ i Cu²⁺. W ich nazwach cyfra rzymska pokazuje ładunek: żelazo(II) oznacza Fe²⁺, a żelazo(III) oznacza Fe³⁺.

Nazywanie jonów i łączenie ich

Kation zachowuje nazwę swojego pierwiastka: Na⁺ to jon sodu, a Ca²⁺ to jon wapnia. Anion jednoatomowy zmienia końcówkę na -ek: chlor staje się chlorkiem (Cl⁻), tlen tlenkiem (O²⁻), siarka siarczkiem (S²⁻), a azot azotkiem (N³⁻).

W związku ładunki dodatnie i ujemne muszą dawać w sumie zero. Na⁺ i Cl⁻ równoważą się w stosunku jeden do jednego, co daje NaCl, sól kuchenną. Chlorek wapnia potrzebuje dwóch jonów Cl⁻ na każdy Ca²⁺, więc jego wzór to CaCl₂. Tlenek glinu potrzebuje dwóch jonów Al³⁺ (łącznie +6) i trzech jonów O²⁻ (łącznie −6), więc jest to Al₂O₃.