Анион — отрицательно заряженный ион¶
Анион — это ион, несущий отрицательный электрический заряд, образованный атомом или группой атомов, получивших один или несколько электронов сверх нейтрального состояния. Термин предложен английским физиком Майклом Фарадеем в 1834 году и происходит от греческого anion («восходящий»): в электролизе анионы движутся к аноду, то есть к положительному электроду. Анионы противоположны катионам — положительно заряженным ионам, направляющимся к катоду.
¶Образование и строение
Анион возникает, когда атом или молекула присоединяет электроны. Способность к этому определяется сродством к электрону — энергией, выделяемой при присоединении электрона. Наибольшим сродством обладают галогены: фтор (3,49 эВ), хлор (3,61 эВ), бром (3,36 эВ) и иод (3,06 эВ). Поэтому галогениды — наиболее распространённый класс анионов.
Водород также образует анион H⁻ (гидрид-ион), хотя его сродство к электрону невелико (0,75 эВ). Кислород образует оксид-ион O²⁻, сера — сульфид-ион S²⁻, а азот — нитрид-ион N³⁻. В растворах и расплавах широко встречаются многоатомные (полиатомные) анионы: сульфат SO₄²⁻, нитрат NO₃⁻, карбонат CO₃²⁻, фосфат PO₄³⁻, гидроксид OH⁻, перхлорат ClO₄⁻ и другие. В органической химии важную роль играют карбоксилаты RCOO⁻, алкоксиды RO⁻, амин-анионы и карбанионы.
¶Классификация
Анионы разделяют по нескольким признакам:
- По составу: простые (моноатомные, например Cl⁻, S²⁻) и сложные (многоатомные, например SO₄²⁻).
- По степени окисления центрального атома: сульфат SO₄²⁻ (S в степени +6) и сульфит SO₃²⁻ (S в степени +4); нитрат NO₃⁻ (N в +5) и нитрит NO₂⁻ (N в +3); перхлорат ClO₄⁻ (Cl в +7) и хлорат ClO₃⁻ (Cl в +5).
- По кислотно-основным свойствам: анионы сильных кислот (Cl⁻, SO₄²⁻, NO₃⁻) практически не гидролизуются; анионы слабых кислот (CO₃²⁻, S²⁻, PO₄³⁻) гидролизуются, образуя щелочные растворы.
¶Физические свойства
Анионы в газовой фазе существуют как свободные частицы. В конденсированных средах они окружены сольватными оболочками из молекул растворителя, причём в воде вокруг аниона ориентированы положительные концы диполей. Радиус иона определяется распределением электронной плотности: у анионов он всегда больше, чем у нейтрального атома, поскольку присоединённые электроны увеличивают электронное облако и усиливают взаимное отталкивание. Так, радиус иона Cl⁻ (181 пм) примерно вдвое больше радиуса атома хлора (99 пм).
В кристаллических решётках солей анионы обычно занимают узлы с крупным эффективным зарядом, формируя анионные подрешётки. Их поляризуемость — ключевой фактор, определяющий тип кристаллической структуры по правилам Фаянса: малополяризуемые анионы образуют ионные соединения с высокой точкой плавления (NaCl, MgO), а крупные поляризуемые анионы — соединения с выраженной ковалентностью (AgI, PbS).
¶Химические свойства
Анионы выступают нуклеофилами — реагентами, атакующими положительно заряженные центры. В органическом синтезе реакции замещения по механизму Sₙ2 и Sₙ1 с участием анионов (галогенидов, цианидов, ацетилидов) имеют фундаментальное значение. Анионы также проявляют буферные свойства: гидрокарбонат HCO₃⁻ и дигидрофосфат H₂PO₄⁻ способны связывать как избыточные протоны, так и гидроксид-ионы.
Окислительно-восстановительные свойства анионов определяются степенью окисления центрального атома. Перманганат MnO₄⁻ и дихромат Cr₂O₇²⁻ — сильные окислители, тогда как сульфид S²⁻ и иодид I⁻ — восстановители. В аналитической химии качественный анализ анионов основан на осаждении характерных нерастворимых солей: BaSO₄ (сульфат), AgCl (хлорид), CaCO₃ (карбонат).
¶Роль в природе и технике
Анионы играют ключевую роль в биохимии. Хлорид-ионы участвуют в поддержании осмотического давления и кислотно-основного равновесия; гидрокарбонат — основной буфер крови; фосфаты входят в состав АТФ, ДНК и РНК. В электрохимии анионы перемещаются через мембраны ионных обменников в аккумуляторах, электродиализе и системах обратного осмоса.
В промышленности анионы имеют значение в металлургии (флюорид-ионы в электролизе алюминия по методу Холла — Эру), водоподготовке (обмен сульфата на хлорид при умягчении воды) и производстве удобрений (нитраты, фосфаты, сульфаты аммония и калия).
¶Литература
- Лурье Ю. Ю. «Справочник по аналитической химии».
- Хомченко Г. П. «Химия для поступающих в вузы».
- Фадеев П. И. «Курс общей и неорганической химии».
- Atkins P., de Paula J. «Physical Chemistry».