ไอออนคืออะไร และทำนายประจุได้อย่างไร

อะตอมเป็นกลาง ไอออนไม่เป็นกลาง

อะตอมมีโปรตอนที่มีประจุบวกอยู่ในนิวเคลียส และอิเล็กตรอนที่มีประจุลบอยู่รอบ ๆ ในอะตอมที่เป็นกลาง จำนวนทั้งสองเท่ากัน ประจุจึงหักล้างกัน อะตอมโซเดียมมีโปรตอน 11 ตัวและอิเล็กตรอน 11 ตัว ประจุรวมจึงเป็นศูนย์

ในปฏิกิริยาเคมี นิวเคลียสไม่เปลี่ยนแปลง แต่อิเล็กตรอนสามารถย้ายจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งได้ หากอะตอมมีจำนวนอิเล็กตรอนไม่เท่ากับจำนวนโปรตอน อะตอมนั้นจะมีประจุรวมและเรียกว่าไอออน คุณหาประจุได้ด้วยการลบเพียงครั้งเดียว: ประจุ = โปรตอน − อิเล็กตรอน

แคตไอออนและแอนไอออน

เมื่ออะตอมให้อิเล็กตรอน อะตอมจะมีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอน ประจุจึงเป็นบวก ไอออนบวกเรียกว่าแคตไอออน โซเดียมให้อิเล็กตรอน 1 ตัว: โปรตอน 11 − อิเล็กตรอน 10 = +1 ไอออนจึงเป็น Na⁺ แมกนีเซียมให้อิเล็กตรอน 2 ตัว: โปรตอน 12 − อิเล็กตรอน 10 = +2 เขียนเป็น Mg²⁺

เมื่ออะตอมรับอิเล็กตรอน อะตอมจะมีอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอน ประจุจึงเป็นลบ ไอออนลบเรียกว่าแอนไอออน คลอรีนรับอิเล็กตรอน 1 ตัว: โปรตอน 17 − อิเล็กตรอน 18 = −1 ไอออนจึงเป็น Cl⁻ ออกซิเจนรับอิเล็กตรอน 2 ตัว: โปรตอน 8 − อิเล็กตรอน 10 = −2 เขียนเป็น O²⁻

การเขียนประจุ ให้ใส่ตัวเลขก่อนและเครื่องหมายทีหลัง เป็นตัวยก: Mg²⁺ ไม่ใช่ Mg⁺² ถ้าประจุเป็น 1 ให้ละตัวเลข เช่น Na⁺ และ Cl⁻

ทำไมอะตอมจึงรับหรือให้อิเล็กตรอน

อะตอมเสถียรที่สุดเมื่อมีชั้นนอกเต็มเหมือนแก๊สมีตระกูล อิเล็กตรอนของโซเดียมจัดเรียงเป็น 2, 8, 1 การให้อิเล็กตรอนชั้นนอกตัวเดียวทำให้เหลือ 2, 8 ซึ่งเป็นการจัดเรียงเดียวกับนีออน การรับอิเล็กตรอน 7 ตัวแทนจะใช้พลังงานมากกว่ามาก โซเดียมจึงให้ไป 1 ตัว

คลอรีนจัดเรียงเป็น 2, 8, 7 การรับอิเล็กตรอนเพียง 1 ตัวทำให้ได้ 2, 8, 8 เหมือนอาร์กอน โดยทั่วไป โลหะมีอิเล็กตรอนชั้นนอกเพียงไม่กี่ตัวและมักให้ไป เกิดเป็นแคตไอออน ขณะที่อโลหะมีอิเล็กตรอนชั้นนอกมากและมักรับเพิ่ม เกิดเป็นแอนไอออน

การทำนายประจุจากหมู่

สำหรับธาตุหมู่หลัก ตารางธาตุบอกประจุตามปกติ โลหะหมู่ 1 เกิดเป็นไอออน +1 (Li⁺, Na⁺, K⁺) โลหะหมู่ 2 เกิดเป็นไอออน +2 (Mg²⁺, Ca²⁺) และอะลูมิเนียมในหมู่ 13 เกิดเป็น Al³⁺

ทางด้านขวา ให้นับว่าแต่ละอะตอมต้องการอิเล็กตรอนอีกกี่ตัวจึงจะครบ 8 ธาตุหมู่ 15 มีอิเล็กตรอนชั้นนอก 5 ตัวและต้องการอีก 3 ตัว จึงเกิดเป็นไอออน −3 (N³⁻) ธาตุหมู่ 16 ต้องการอีก 2 ตัวและเกิดเป็นไอออน −2 (O²⁻, S²⁻) และธาตุหมู่ 17 ต้องการอีก 1 ตัวและเกิดเป็นไอออน −1 (F⁻, Cl⁻, Br⁻) แก๊สมีตระกูลมีชั้นเต็มอยู่แล้ว ประจุจึงเป็น 0 คาร์บอนและซิลิคอนในหมู่ 14 มักใช้อิเล็กตรอนร่วมกันแทนที่จะเกิดเป็นไอออนอย่างง่าย

โลหะทรานซิชันหลายชนิดเกิดเป็นไอออนได้มากกว่าหนึ่งแบบ เหล็กเกิดเป็น Fe²⁺ และ Fe³⁺ และทองแดงเกิดเป็น Cu⁺ และ Cu²⁺ ชื่อของมันใช้เลขโรมันแสดงประจุ เหล็ก(II) หมายถึง Fe²⁺ และเหล็ก(III) หมายถึง Fe³⁺

การตั้งชื่อไอออนและการรวมกัน

แคตไอออนใช้ชื่อธาตุของมันเอง Na⁺ คือโซเดียมไอออน และ Ca²⁺ คือแคลเซียมไอออน แอนไอออนอะตอมเดี่ยวเปลี่ยนคำลงท้ายเป็น -ide (-ไอด์) คลอรีนเป็นคลอไรด์ (Cl⁻) ออกซิเจนเป็นออกไซด์ (O²⁻) ซัลเฟอร์เป็นซัลไฟด์ (S²⁻) และไนโตรเจนเป็นไนไตรด์ (N³⁻)

ในสารประกอบ ประจุบวกและประจุลบต้องรวมกันได้ศูนย์ Na⁺ และ Cl⁻ สมดุลกันแบบหนึ่งต่อหนึ่ง ได้ NaCl ซึ่งเป็นเกลือแกง แคลเซียมคลอไรด์ต้องใช้ไอออน Cl⁻ สองตัวต่อ Ca²⁺ หนึ่งตัว สูตรจึงเป็น CaCl₂ อะลูมิเนียมออกไซด์ต้องใช้ไอออน Al³⁺ สองตัว (รวม +6) และไอออน O²⁻ สามตัว (รวม −6) จึงเป็น Al₂O₃