Що таке йони і як передбачити їхній заряд?

Атоми нейтральні, йони — ні

Атом має позитивно заряджені протони в ядрі та негативно заряджені електрони навколо нього. У нейтральному атомі їхня кількість однакова, тож заряди компенсуються. Атом натрію має 11 протонів і 11 електронів, тож його загальний заряд дорівнює нулю.

У хімічній реакції ядро не змінюється, але електрони можуть переходити від одного атома до іншого. Якщо в атома стає інша кількість електронів, ніж протонів, він має загальний заряд і називається йоном. Заряд можна знайти одним відніманням: заряд = протони − електрони.

Катіони та аніони

Коли атом віддає електрони, він має більше протонів, ніж електронів, тож його заряд позитивний. Позитивний йон називається катіоном. Натрій віддає 1 електрон: 11 протонів − 10 електронів = +1, тож йон — Na⁺. Магній віддає 2 електрони: 12 протонів − 10 електронів = +2, записується Mg²⁺.

Коли атом приєднує електрони, він має більше електронів, ніж протонів, тож його заряд негативний. Негативний йон називається аніоном. Хлор приєднує 1 електрон: 17 протонів − 18 електронів = −1, тож йон — Cl⁻. Кисень приєднує 2 електрони: 8 протонів − 10 електронів = −2, записується O²⁻.

Щоб записати заряд, спершу ставте число, а потім знак, у верхньому індексі: Mg²⁺, а не Mg⁺². Якщо заряд дорівнює 1, число опускають, як у Na⁺ і Cl⁻.

Чому атоми приєднують або віддають електрони

Атоми найстабільніші із заповненою зовнішньою оболонкою, як у благородних газів. Електрони натрію розташовані 2, 8, 1. Віддавши свій єдиний зовнішній електрон, він отримує 2, 8, як у неону. Приєднання натомість 7 електронів потребувало б набагато більше енергії, тож натрій віддає 1.

Хлор має розташування 2, 8, 7. Приєднавши лише 1 електрон, він отримує 2, 8, 8, як у аргону. Загалом метали мають лише кілька зовнішніх електронів і схильні їх віддавати, утворюючи катіони, а неметали мають багато зовнішніх електронів і схильні приєднувати ще, утворюючи аніони.

Передбачення зарядів за групою

Для елементів головних груп періодична таблиця вказує звичайний заряд. Метали 1-ї групи утворюють йони +1 (Li⁺, Na⁺, K⁺), метали 2-ї групи — йони +2 (Mg²⁺, Ca²⁺), а алюміній із 13-ї групи — Al³⁺.

Праворуч у таблиці підрахуйте, скільки електронів потрібно кожному атому, щоб досягти 8. Елементи 15-ї групи мають 5 зовнішніх електронів і потребують ще 3, тож утворюють йони −3 (N³⁻). Елементам 16-ї групи потрібно ще 2, і вони утворюють йони −2 (O²⁻, S²⁻), а елементам 17-ї групи потрібен ще 1, і вони утворюють йони −1 (F⁻, Cl⁻, Br⁻). Благородні гази вже мають заповнену оболонку, тож їхній заряд 0. Вуглець і кремній з 14-ї групи зазвичай діляться електронами, а не утворюють прості йони.

Багато перехідних металів можуть утворювати більше ніж один йон. Залізо утворює Fe²⁺ і Fe³⁺, а мідь — Cu⁺ і Cu²⁺. У їхніх назвах римська цифра показує заряд: залізо(II) означає Fe²⁺, а залізо(III) — Fe³⁺.

Назви йонів і їх поєднання

Катіон зберігає назву свого елемента: Na⁺ — йон натрію, а Ca²⁺ — йон кальцію. Одноатомний аніон змінює закінчення на -ид (-ід): хлор стає хлоридом (Cl⁻), кисень — оксидом (O²⁻), сірка — сульфідом (S²⁻), а азот — нітридом (N³⁻).

У сполуці позитивні й негативні заряди мають у сумі давати нуль. Na⁺ і Cl⁻ врівноважують одне одного як один до одного, утворюючи NaCl, кухонну сіль. Кальцій хлорид потребує двох йонів Cl⁻ на кожен Ca²⁺, тож його формула — CaCl₂. Алюміній оксид потребує двох йонів Al³⁺ (+6 разом) і трьох йонів O²⁻ (−6 разом), тож це Al₂O₃.