Что представляют собой ионы. Ионы - Электронный учебник K-tree

Ио́ны (от греч. ion - идущий), электрически заряженные частицы, образующиеся в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов (или других заряженных частиц) к атому, молекуле, радикалу или другому иону. Положительно заряженные ионы называются катионами , отрицательно заряженные ионы - анионами . Термин предложен М. Фарадеем в 1834 г.

Ионы обозначают химическим символом с индексом, расположенным вверху справа. Индекс указывает знак и величину заряда, т. е. кратность иона, в единицах заряда электрона. При потере или приобретении атомом 1, 2, 3... электронов образуются, соответственно, одно-, двух- и трЕхзарядные ионы (см. Ионизация), например Na + , Ca 2+ , Al 3+ , Cl - , SO 4 2- .

Атомные ионы обозначают также химическим символом элемента с римскими цифрами, указывающими кратность иона, в этом случае римские цифры являются спектроскопическими символами и их значение больше величины заряда на единицу, т. е. NI означает нейтральный атом N, обозначение иона NII означает однократно заряженный ион N + , NIII означает N 2+ .

Последовательность ионов различных химических элементов, содержащих одинаковое число электронов, образует изоэлектронный ряд.

Ионы могут входить в состав молекул веществ, образуя молекулы благодаря ионной связи . В виде самостоятельных частиц, в несвязанном состоянии, ионы встречаются во всех агрегатных состояниях вещества - в газах (в частности, в атмосфере), в жидкостях (в расплавах и в растворах), в кристаллах. В жидкостях, в зависимости от природы растворителя и растворенного вещества, ионы могут существовать бесконечно долго, например, ион Na + в водном растворе поваренной соли NaCl. Соли в твердом состоянии обычно образуют ионные кристаллы . Кристаллическая решетка металлов состоит из положительно заряженных ионов, внутри которой находится «электронный газ». Энергия взаимодействия атомных ионов может быть вычислена с помощью различных приближенных методов, учитывающих межатомное взаимодействие .

Образование ионов происходит в процессе ионизации. Для удаления электрона из нейтрального атома или молекулы необходимо затратить определенную энергию, которая называется энергией ионизации. Энергия ионизации, отнесенная к заряду электрона, называется ионизационным потенциалом. Сродство к электрону - характеристика, противоположная энергии ионизации, и показывает величину энергии связи дополнительного электрона в отрицательном ионе.

Нейтральные атомы и молекулы ионизируются под действием квантов оптического излучения, рентгеновского и g-излучения, электрического поля при столкновении с другими атомами, частицами и т. д.

В газах ионы образуются в основном под действием ударов частиц большой энергии или при фотоионизации под действием ультрафиолетовых, рентгеновских и g-лучей (см. Ионизирующие излучения). Образовавшиеся таким путем ионы в обычных условиях недолговечны. При высокой температуре ионизация атомов и ионов (термическая ионизация, т. е. термическая диссоциация с отделением электрона) может происходить также как равновесный процесс , в котором степень ионизации возрастает с повышением температуры и с понижением давления. Газ переходит при этом в состояние плазмы .

Ионы в газах играют большую роль во многих явлениях. В природных условиях ионы образуются в воздухе под действием космических лучей, солнечного излучения или электрического разряда (молнии). Присутствие ионов, их вид и концентрация влияют на многие физические свойства воздуха, на его физиологическую активность.

Частица, в которой содержится разное число протонов и электронов, называется ионом. Если количество протонов больше, ион приобретает положительный заряд и становится катионом. Ионы с отрицательным зарядом (преобладают электроны) называются анионами.

Общее описание

Впервые в химии понятие «ион» появилось в 1834 году благодаря экспериментам Майкла Фарадея. Учёный изучал электропроводность водных растворов кислот, солей, щелочей. Он предположил, что возможность проводить электричество обусловлена движением в растворе заряженных частиц - ионов.

Молекулы способны распадаться на ионы - атомы с недостатком или избытком электроном. Процесс распада называется электролитической диссоциацией, а образованный раствор или расплав - электролитом. Если опустить в раствор электролита электрод, катионы начнут двигаться к катоду - отрицательному полюсу, анионы - к аноду - положительному полюсу. Этим объясняется электропроводность электролитов.

Рис. 1. Движение ионов под действием электрода.

В растворах или в расплавах ионы образуются под действием молекул воды или высокой температуры.

Строение

Ионы состоят из ядра и электронов, движущихся вокруг. Ядро образуют положительно заряженные частицы (протоны) и нейтральные частицы (нейтроны). Количество протонов совпадает с порядковым номером элемента. Количество нейтронов равно значению разницы между относительной атомной массой и количеством протонов.

Электроны располагаются на энергетических уровнях. Количество уровней совпадает с периодом, в котором находится элемент. На внешнем энергетическом уровне находятся валентные электроны, которые могут взаимодействовать с другими атомами. При отдаче валентных электронов атом превращается в катион, при присоединении дополнительного электрона становится анионом.

Например, если к атому хлора присоединить ещё один электрон он станет отрицательно заряженным ионом - анионом. А если у атома натрия отнять один электрон, он станет положительно заряженным ионом - катионом, т.к. количество протонов станет больше, чем отрицательных электронов.

Катионы в уравнениях отмечаются плюсом, а анионы - минусом. Например, Fe 2+ , Al 3+ , Na + , F – , Cl – . Цифра означает, сколько электронов отдал или принял атом, став ионом, т.е. показывает степень окисления. Количество катионов или анионов можно посмотреть по таблице растворимости веществ.

Рис. 2. Таблица растворимости.

Классификация

Ионы делятся на две группы:

• простые или моноатомные - содержат одно ядро, т.е. состоят из одного атома вещества;
• сложные или полиатомные - содержат минимум два ядра, т.е. состоят из двух и более атомов вещества.

К простым ионам относятся катионы и анионы металлов и неметаллов - Na + , Mg 2+ , Cl – . Сложные ионы образуются при присоединении иона к нейтральным молекулам вещества. Например:

• NH 3 + H + → NH 4 + ;
• BF 3 + F – → BF 4 – .

Катионами являются ионы металлов, водорода, аммония и некоторых других веществ. Анионами являются гидроксид-ион (OH –), ионы кислотных остатков, неметаллов и других веществ.

Некоторые атомы могут становиться катионами или анионами в зависимости от реакции.

Также выделяют ион-радикалы - свободные заряженные частицы, способные присоединять атомы или присоединяться к атомам других веществ. В зависимости от заряда делятся на китионы-радикалы и анионы-радикалы.

Ионная связь - класс соединения ионов. Ионная связь возникает в результате электростатического притяжения анионов и катионов. При этом атом с большей электроотрицательностью притягивает атом с меньшей электроотрицательностью. Ионная связь возникает преимущественно между ионами металлов и неметаллов. Металл всегда отдаёт электроны, т.е. является восстановителем.

Рис. 3. Схема ионной связи.

Что мы узнали?

Из темы урока узнали, что такое ионы. Атом становится ионом при отщеплении или присоединении электронов. Если электронов становится меньше, то атом приобретает положительный заряд за счёт преобладания протонов и становится катионом. При увеличении количества отрицательно заряженных электронов атом становится анионом. Ионы способны передавать электричество и обязательно присутствуют в электролитах. Между ионами возникает ионная связь за счёт электростатического притяжения отрицательных и положительно заряженных частиц.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 170.

Ион - одноатомная или многоатомная электрически заряженная частица вещества, образующаяся в результате потери или присоединения атомом в составе молекулы одного или нескольких электронов.

Заряд иона кратен заряду электрона. Понятие и термин «ион» ввел в 1834 году Майкл Фарадей, который, изучая действие электрического тока на водные растворы кислот, щелочей и солей, предположил, что электропроводность таких растворов обусловлена движением ионов. Положительно заряженные ионы, движущиеся в растворе к отрицательному полюсу (катоду), Фарадей назвал катионами , а отрицательно заряженные, движущиеся к положительному полюсу (аноду) - анионами .

Свойства ионов определяются:

1) знаком и величиной их заряда;
2) строением ионов, т. е. расположением электронов и прочностью их связей, причем особенно важны внешние электроны;
3) их размерами, определяемыми радиусом орбиты внешнего электрона.
4) прочностью электронной оболочки (деформируемостью ионов).

В виде самостоятельных частиц ионы встречаются во всех агрегатных состояниях вещества: в газах (в частности, в атмосфере), в жидкостях (в расплавах и растворах), в кристаллах и в плазме (в частности, в межзвездном пространстве).

Являясь химически активными частицами, ионы вступают в реакции с атомами, молекулами и между собой. В растворах ионы образуются в результате электролитической диссоциации и обусловливают свойства электролитов.

Число элементарных электрических зарядов у ионов в растворах почти всегда совпадает с валентностью данного атома или группы; газовые ионы могут иметь и другое число элементарных зарядов. Под влиянием достаточно энергичных воздействий (высокая температура, излучение высокой частоты, электроны большой скорости) могут образоваться положительные ионы с различным числом электронов, вплоть до голых ядер. Положительные ионы обозначаются знаком + (плюс) или точкой (например, Mg***,Аl +++), отрицательные знаком — (минус) или знаком" (Сl - , Br").Число знаков обозначает число избыточных элементарных зарядов. Чаще всего образуются ионы с устойчивыми внешними электронными оболочками, соответствующими оболочке благородных газов. Ионы, из которых построены кристаллы, и ионы, встречающиеся в растворах и растворителях с высокими диэлектрическими постоянными, принадлежат большей частью к этому типу, например щелочные и щелочноземельные металлы, галоиды и т. д. Впрочем встречаются и т. н. переходные ионы, у которых внешние оболочки содержат от 9 до 17 электронов; эти ионы могут переходить сравнительно легко в ионы другого типа и значности (например Fe - - , Си" и т.д.).

Химические и физические свойства

Химические и физические свойства ионов резко отличаются от свойств нейтральных атомов, напоминая во многих отношениях свойства атомов других элементов, имеющих тоже число электронов и ту же внешнюю электронную оболочку (напр. К" напоминает Ar, F"—Ne). Простые ионы, как показывает волновая механика, имеют сферическую форму. Размеры ионы характеризуются величиной их радиусов, которые могут быть определены эмпирически по данным рентгеновского анализа кристаллов (Гольдшмидт) или вычислены теоретически методами волновой механики (Паулииг) или статистики (Ферми). Результаты, полученные обоими методами, дают вполне удовлетворительное совпадение. Целый ряд свойств кристаллов и растворов определяется радиусами ионов, из которых они состоят; у кристаллов этими свойствами являются энергия кристаллической решетки и в значительной степени ее тип; в растворах ионов поляризуют и притягивают молекулы растворителя, образуя оболочки переменного состава, эта поляризация и прочность связи между ионов и молекулами растворителя определяются почти исключительно радиусами и зарядами ионов. Насколько вообще сильно действие поля ионов на молекулы растворителя, показывают вычисления Цвикки, который нашел, что молекулы воды находятся вблизи ионов под давлением порядка 50.000 атм. Прочность(деформируемость) внешней электронной оболочки зависит от степени связанности внешних электронов и обусловливает главным образом оптические свойства ионов (цветность, рефракция). Впрочем цветность ионов связана также и с образованием ионов различных соединений с молекулами растворителя. Теоретические вычисления эффектов, связанных с деформацией электронных оболочек, более затруднительны и менее наделены, чем вычисления сил взаимодействия между ионами. Причины образования ионов в растворах точно неизвестны; наиболее правдоподобно мнение, что молекулы растворимых веществ разрываются на ионы молекулярным нолем растворителя; гетерополярные, т. е. построенные из ионов кристаллы дают повидимому при растворении сразу ионы. Значение молекулярного поля растворителя подтверждается как будто параллелизмом между величиной диэлектрической постоянной растворителя, являющейся приблизительным мерилом напряжения его молекулярного поля, и степенью диссоциации (правило Нернста-Томсона, экспериментально подтвержденное Вальденом). Однако ионизация происходит и в веществах с малыми диэлектрическими постоянными, но здесь растворяются преимущественно электролиты, дающие комплексные ионны. Комплексы образуются иногда из ионов растворяющегося вещества, иногда растворитель также принимает участие в их образовании. Для веществ с малыми диэлектрическими постоянными характерно также образование комплексных ионов при прибавлении не электролитов, например (С 2 Н 5)0Вг 3 дает при смешении с хлороформом проводящую
систему. Внешним признаком образования комплексных ионов служит т. н. аномальная электропроводность, при которой график, изображающий зависимость молярной электропроводности от разведения, дает максимум в области концентрированных растворов и минимум—при дальнейшем разведении.

Номенклатура Согласно химической номенклатуре, название катиона, состоящего из одного атома совпадает с названием элемента, например, Na + называется натрий-ионом, иногда добавляют в скобках заряд, например, название катиона Fe 2+ - железо(II)-ион. Название состоит из одного атома аниона образуется из корня латинского названия элемента и суффикса «-ид/-ид », например, F - называется фторид-ионом.

ИОНЫ (от греч. ion-идущий,странствующий), атомы или хим. радикалы, несущие электрические заряды.-И с т о р и я. Как установил впервые Фарадей (Faraday), проведение электрического тока в растворах связано с передвижением материальных частиц, несущих электрические заряды. Проводящее электрический ток вещество--электролит- распадается на положительно и отрицательно заряженные радикалы, которые действием электростатических сил притягиваются- первые к катоду, вторые - к аноду. Такие атомы или атомные группы (радикалы), двигающиеся в растворе и переносящие электрические заряды, Фарадей назвал ионами: положительно заряженные ионы (двигающиеся к катоду)-катионами, отрицательные-анионами. В отличие от металлических проводников, в к-рых распространение электричества не связано с пере- носом и разложением вещества, растворы электролитов получили название «проводников второго рода». Фарадей считал, что только при пропускании через раствор гальванического тока действием внешних электрических сил часть молекул электролита расщепляется на ионы. Основатель теории электролитической диссоциации Аррениус (Sv. Arrhenius) на основании огромного экспериментального материала показал, что известная часть молекул электролита постоянно диссоциирована на ионы независимо от того, проводит ли раствор в данный момент электрич. ток. Этим было положено начало представлению о существовании в растворе свободных ионов как стойкого состояния материи. Степень диссоциации /Электролита, указывающая, какая часть его молекул распадается на И., составляет в учении Аррениуса основную величину, характеризующую участие электролита в целом ряде процессов, происходящих в растворах. Дальнейшее развитие современная теория электролитической диссоциации и активности электролитов получила в исследованиях Бьеррума, Дебая и Гюккеля (Bjerrum, De-bye, Htickel) и др. Они показали, что активность электролита помимо определяемого степенью его диссоциации числа свободных И. зависит от возникающих между самими ионами электростатических взаимодействий. Влияние этих электростатических межионных сил позволило объяснить многие особенности растворов электролитов, не укладывавшиеся в рамки классической теории Аррениуса. Творцы ионной теории не имели конкретного представления о структуре И. и о способе соединения в нем материи и заряда. Точно так же не получало достаточного разъяснения основное свойство И.-- его изумительная хим. инертность по сравнению с соответствующим нейтральным атомом. Так, атомы натрия бурно реагируют с водой, разлагая ее с выделением водорода; иод дает специфическую реакцию с крахмалом и т. д. Но раствор NaJ, состоящий из свободных И. натрия и иода, не обнаруживает ни одной из этих реакций до тех пор, пока заряд его ионов не будет уничтожен (как то имеет место при электролизе). Эти важнейшие свойства ионов могли быть поняты лишь в свете современной теории строения атома (см.). Структура иона. Согласно теории Резерфорда и Бора (Rutherford, Bohr) материя построена из положительных и отрицательных электрических зарядов. Элементарным положительным зарядом является протон, имеющий массу атома водорода, между тем как свободный отрицательный заряд--элрктрон имеет в 1.800 раз меньшую массу. Атом построен из крайне малого центрального положительного ядра, вокруг которого-наподобие планет, движущихся вокруг солнца-по сложной системе орбит вращаются электроны. Атомное ядро состоит из протонов или же из сочетания протонов с меньшим числом электронов. Число положительных зарядов ядра (или же избыток положительных зарядов над числом внутриядерных электронов) равняется числу электронов окружающей ядро оболочки. I Это число равномерно возрастает на единицу по мере перехода от Н (заряд атомного ядра 1) к каждому последующему элементу, соответственно тому порядку, какой они занимают в периодической системе (см.). Окружающая атомное ядро электронная оболочка состоит из ряда последовательных слоев, каждый из к-рых содержит определенное число электронов. Наружный слой может содержать до 8 электронов (исключение составляет первый электронный слой, непосредственно прилегающий к ядру; наибольшее число электронов равно в нем двум). При наличии в наружном слое полного" числа электронов атом приобретает законченную структуру и необычайно устойчивую электронную конфигурацию, а соответственно этому-полную химич. инертность. Это-атомы благородных газов, хим. валентность которых равна нулю. Переход к следующему элементу периодической системы (щелочному металлу) означает добавление нового электрона, располагающегося на новом наружном электронном слое. Продолжающееся у последующих элементов построение атома заканчивается лишь новым устойчивым сочетанием электронов следующего благородного газа. По Косселю (Kos-sel), электронная конфигурация благородного газа (с восьмиэлектронным наружным слоем) представляет устойчивое состояние, к переходу в к-рое стремится атом каждого элемента. Этот переход совершается путем потери или захвата недостающих электронов. Легче всего он происходит у щелочных металлов и галоидов, из которых первым достаточно потерять, а вторым приобрести один электрон, чтобы уподобиться ближайшему благородному газу. Подобно этому и у других элементов число электронов, которое они должны потерять или приобрести, чтобы обнажить или достроить наружный восьмиэлектронный слой, равняется максимальному числу обнаруживаемых ими положительных или отрицательных валентностей. При этом однако нарушается электронейтральность атома, первоначальное равенство его положительных и отрицательных зарядов. Атом превращается в по^ ложительный или отрицательный И., причем заряд последнего по знаку и величине соответствует валентности соответствующего атома или радикала. Электростатическое притяжение противоположно заряженных И. соединяет их в гетерополярную молекулу. В средах, имеющих, как вода, высокую диэлектрическую постоянную, действие электростатических сил ослабляется, и гетеро-полярная молекула вновь распадается на свои ионы. Таким образом каждый И. имеет электронную структуру не того атома, из к-рого он произошел, а ближайшего благородного газа. От последнего он отличается лишь своим зарядом (и той легкостью, с к-рой, теряя его, он вновь превращается в первоначальный элемент). Такой структурой иона вполне объясняется его важнейшее свойство, отмеченное еще Аррениусом: изумительная химическая инертность, составляющая особенность свободного И. в отличие I от того атома, в который он превращается при потере заряда. Приближаясь к структуре устойчивого, химически инертного благородного газа, ионы друг от друга отличаются лишь величиной и распределением своего электрического заряда, т. е. чисто физическими свойствами. В силу этого они и представляют объект по преимуществу физических методов исследования, объект физической химии. Гидратация и размеры И. Важнейшими физ. свойствами И. являются его размеры и величина электрическ. заряда. От соотношения этих величин зависит и плотность заряда, тем большая, чем меньше размеры частицы, несущей данный заряд. Однако если по структуре И., по их электронной модели мы захотели бы составить себе представление об их относительной величине, то допустили бы серьезную ошибку. Ионы Li - , Na", К" и т. п. в воде состоят не только из указанных веществ, но также из значительного количества тесно с ними связанных и совместно движущихся молекул воды. Молекула воды подобно молекуле многих других веществ представляет собой диполь, на противоположных концах к-рого сосредоточены разноименные заряды (на одном полюсе отрицательный заряд кислорода, на другом-положительный заряд водорода). Такие диполи ориентируются вокруг заряженной частицы, притягиваясь к ней своим разноименным полюсом. В результате каждый ион в водном растворе гидратируется, окружается оболочкой, построенной из молекул воды. Чем дальше от центра, тем эта ориентация делается менее точной, постепенно переходя в хаотическое распределение свободных молекул воды. Т. о. гидратация И. обусловлена их электрическим зарядом (Born). В результате гидратации размеры И., как самостоятельно движущейся частицы, могут значительно повышаться, причем нередко ионы, имеющие меньшие атомные размеры, как напр. Li, достигают даже большей величины, чем И., образовавшиеся из более крупных атомов, как К. Отсюда вытекает и другой, не менее парадоксальный вывод, имеющий большое значение для понимания нек-рых проблем клеточной проницаемости: при распаде молекулы на ионы последние (вместе с окружающей их водной обкладкой!) могут иметь ббльшие размеры, чем сама молекула, их диссоциирующая. ПодвижностьИ. Нек-рые действия свойствены И. наравне с нейтральными молекулами. Таково осмотическое давление, зависящее лишь от кинетической энергии растворенных частиц. Другие обусловлены электрическим зарядом, составляющим отличие И. от нейтральной молекулы. К таким свойствам относится электропроводность. Она определяется произведением числа ионных зарядов и подвижности И. Каждый И. движется в электрическом поле со скоростью, пропорциональной действующей на него силе и обратно пропорциональной встречаемому им сопротивлению. Если разность потенциалов равна одному вольту на 1 ем, то скорость движения (в см/сек. при 18°) выразится для нескольких ионов следующими цифрами: Катион U (см/сек.) Анион V (см/сек.) Na* К" Ag\ NH, 33,0 . ю-" 3.5 .10-" 4.6 .10-" 6,75. 10-* 5.7 .10-" 6,7 .10"" ОН" СГ Вг" Г no; Мпо; 18,2 .ю-" 6,85.10-" 7,0 .1Q-" 6,95. }