Ионы — заряженные атомы и группы атомов¶
Ион — заряженная частица, образованная атомом или группой атомов, приобретшими ненулевой электрический заряд в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов. Положительно заряженные ионы (катионы) образуются при потере электронов, отрицательно заряженные (анионы) — при их присоединении. Слово «ион» ввёл в 1834 году английский физик Майкл Фарадей, наблюдавший перенос вещества через электролиты.
¶Природа и образование
Ионы возникают, когда атом или молекула теряют или получают электроны. Энергия, необходимая для удаления электрона из атома в газообразном состоянии, называется энергией ионизации. Обратный процесс — присоединение электрона к атому — сопровождается выделением энергии, известной как сродство к электрону. Элементы с малым числом электронов на внешнем уровне (щелочные металлы) легко отдают электроны, образуя катионы с зарядом +1. Галогены, наоборот, склонны присоединять электроны и образовывать анионы с зарядом −1.
В растворах электролитов ионы окружены оболочкой из молекул растворителя — так называемая сольватная (или гидратная, если растворитель — вода) оболочка. Такие частицы называются сольватированными (гидратированными) ионами.
¶Классификация
По знаку заряда ионы делятся на катионы и анионы. По составу различают:
- Простые (атомарные) — состоят из одного заряженного атома: Na⁺, Cl⁻, Ca²⁺.
- Сложные (молекулярные) — группа связанных атомов с общим зарядом: аммоний NH₄⁺, сульфат SO₄²⁻, нитрат NO₃⁻.
- Комплексные — центральный ион-комплексообразователь в окружении лигандов: [Cu(NH₃)₄]²⁺, [Fe(CN)₆]³⁻.
По состоянию вещества различают ионы в газовой фазе, в растворах и в кристаллах (твёрдых электролитах).
¶Свойства
Ион в растворе или газе ведёт себя иначе, чем нейтральный атом: он участвует в электрическом поле, перемещаясь к электроду противоположного знака. Скорость перемещения иона в электрическом поле называется подвижностью. Подвижность зависит от размера ионного облака сольватации: маленькие ионы с большим зарядом гидратируются сильнее и могут двигаться медленнее крупных.
В водных растворах концентрация ионов определяет электропроводность жидкости: чем больше свободных ионов, тем выше удельная электропроводность. Кислоты, основания и соли диссоциируют на ионы, что и обусловляет их электролитические свойства.
¶Ионы в природе и технологии
Ионы играют ключевую роль в живых организмах. Натриевые, калиевые, кальциевые и хлоридные ионы обеспечивают проведение нервных импульсов, сокращение мышц, поддержание кислотно-основного баланса. Нарушение ионного баланса (гиперкалиемия, гипонатриемия) приводит к тяжёлым патологиям сердца и нервной системы.
В промышленности ионы используются в электролитических процессах: получение алюминия по методу Холла — Эру, рафинирование меди, гальваностегия. Ионный обмен применяется для водоподготовки: смолы-ионообменники удерживают ионы жёсткости (Ca²⁺, Mg²⁺) и высвобождают Na⁺ или H⁺.
Плазма — четвёртое состояние вещества — представляет собой полностью или частично ионизированную газовую среду, состоящую из ионов и свободных электронов. Ионные двигатели для космических аппаратов разгоняют ионы ксенона в электрическом поле, создавая тягу с высоким удельным импульсом.
¶Методы исследования
Свойства ионов изучаются методами ионной хроматографии, атомно-абсорбционной спектрометрии, масс-спектрометрии. В физической химии измеряют стандартные электродные потенциалы — величины, характеризующие склонность иона к восстановлению.
¶Интересные факты
Энергия ионизации атома водорода составляет 13,6 эВ — это значение получено аналитически из модели Бора в 1913 году. Ионы кальция Ca²⁺ придают пламени характерную красную окраску, ионы натрия Na⁺ — жёлтую; именно на этом основано пламенное определение элементов.
Источники:
- Глинка Н. Л. Общая химия
- Хомченко Г. П. Химия для поступающих в вузы
- Справочник химика (том 1, физико-химические свойства)
- Википедия: статьи «Ион», «Электролитическая диссоциация»