Что такое ионы и как предсказать их заряд?

Атомы нейтральны, ионы — нет

В ядре атома находятся положительно заряженные протоны, а вокруг него — отрицательно заряженные электроны. В нейтральном атоме их числа равны, поэтому заряды компенсируются. У атома натрия 11 протонов и 11 электронов, поэтому его общий заряд равен нулю.

В химической реакции ядро не меняется, но электроны могут переходить от одного атома к другому. Если у атома оказывается число электронов, отличное от числа протонов, он получает общий заряд и называется ионом. Заряд находится одним вычитанием: заряд = протоны − электроны.

Катионы и анионы

Когда атом теряет электроны, протонов у него становится больше, чем электронов, поэтому его заряд положительный. Положительный ион называется катионом. Натрий теряет 1 электрон: 11 протонов − 10 электронов = +1, поэтому ион — Na⁺. Магний теряет 2 электрона: 12 протонов − 10 электронов = +2, записывается Mg²⁺.

Когда атом приобретает электроны, электронов у него становится больше, чем протонов, поэтому его заряд отрицательный. Отрицательный ион называется анионом. Хлор приобретает 1 электрон: 17 протонов − 18 электронов = −1, поэтому ион — Cl⁻. Кислород приобретает 2 электрона: 8 протонов − 10 электронов = −2, записывается O²⁻.

Чтобы записать заряд, поставьте сначала число, затем знак, в виде верхнего индекса: Mg²⁺, а не Mg⁺². Если заряд равен 1, число опускают, как в Na⁺ и Cl⁻.

Почему атомы принимают или отдают электроны

Атомы наиболее устойчивы с заполненной внешней оболочкой, как у благородных газов. Электроны натрия распределены как 2, 8, 1. Потеряв единственный внешний электрон, он получает 2, 8 — такое же распределение, как у неона. Присоединение 7 электронов потребовало бы гораздо больше энергии, поэтому натрий отдаёт 1.

У хлора распределение 2, 8, 7. Присоединив всего 1 электрон, он получает 2, 8, 8, как у аргона. В целом у металлов лишь несколько внешних электронов, и они склонны их отдавать, образуя катионы, а у неметаллов внешних электронов много, и они склонны принимать ещё, образуя анионы.

Предсказание зарядов по группе

Для элементов главных групп периодическая таблица подсказывает обычный заряд. Металлы 1-й группы образуют ионы +1 (Li⁺, Na⁺, K⁺), металлы 2-й группы — ионы +2 (Mg²⁺, Ca²⁺), а алюминий из 13-й группы образует Al³⁺.

С правой стороны сосчитайте, сколько электронов атому нужно, чтобы достичь 8. У элементов 15-й группы 5 внешних электронов, и им нужно ещё 3, поэтому они образуют ионы −3 (N³⁻). Элементам 16-й группы нужно ещё 2, и они образуют ионы −2 (O²⁻, S²⁻), а элементам 17-й группы нужен ещё 1, и они образуют ионы −1 (F⁻, Cl⁻, Br⁻). У благородных газов оболочка уже заполнена, поэтому их заряд 0. Углерод и кремний из 14-й группы обычно обобществляют электроны, а не образуют простые ионы.

Многие переходные металлы могут образовывать более одного иона. Железо образует Fe²⁺ и Fe³⁺, а медь — Cu⁺ и Cu²⁺. В их названиях заряд показывает римская цифра: железо(II) означает Fe²⁺, а железо(III) — Fe³⁺.

Названия ионов и их сочетание

Катион сохраняет название элемента: Na⁺ — ион натрия, а Ca²⁺ — ион кальция. У одноатомного аниона окончание меняется на -ид: хлор становится хлоридом (Cl⁻), кислород — оксидом (O²⁻), сера — сульфидом (S²⁻), а азот — нитридом (N³⁻).

В соединении положительные и отрицательные заряды должны в сумме давать ноль. Na⁺ и Cl⁻ уравновешиваются один к одному, давая NaCl, поваренную соль. Для хлорида кальция на каждый Ca²⁺ нужно два иона Cl⁻, поэтому его формула CaCl₂. Для оксида алюминия нужны два иона Al³⁺ (+6 в сумме) и три иона O²⁻ (−6 в сумме), поэтому формула Al₂O₃.