Вперше термін "іон" був введений в 1834 році, в чому заслуга Майкла Фарадея. Після вивчення дії електричного струму на розчини солей, лугів і кислот він прийшов до висновку, що в них містяться частинки, що мають якийсь заряд. Катіонами Фарадей назвав іони, які в електричному полі рухалися до катода, має негативний заряд. Аніони - негативно заряджені неелементарні іонні частинки, які в електричному полі рухаються до плюса - анода.
Дана термінологія застосовується і зараз, а частки вивчаються далі, що дозволяє розглядати хімічну реакцію як результат електростатичного взаємодії. Багато реакції протікають за цим принципом, що дозволило зрозуміти їх хід і підібрати каталізатори та інгібітори для прискорення їх протікання і для пригнічення синтезу. Також стало відомо, що багато речовин, особливо в розчинах, завжди знаходяться у вигляді іонів.
Номенклатура і класифікація іонів
Іони - це заряджені атоми або група атомів, яка в ході хімічної реакції втратила або придбала електрони. Вони складають зовнішні шари атома і можуть губитися через низьку сили тяжіння ядра. Тоді результатом від`єднання електрона є позитивний іон. Також якщо атом має сильний ядерний заряд і вузьку електронну оболонку, ядро є акцептором додаткових електронів. В результаті цього утворюється негативна іонна частка.
Самі іони - це не тільки атоми з надмірним або недостатнім електронною оболонкою. Це може бути і група атомів. У природі найчастіше існують саме групові іони, які присутні в розчинах, біологічних рідинах тел організмів і в морській воді. Є величезна кількість видів іонів, назви яких цілком традиційні. Катіони - це іонні частинки, заряджені позитивно, а заряджені негативно іони - це аніони. Залежно від складу їх називають по-різному. Наприклад, катіон натрію, катіон цезію та інші. Аніони називаються по-іншому, тому що найчастіше складаються з багатьох атомів: сульфат-аніон, ортофосфат-аніон і інші.
Механізм утворення іонів
Хімічні елементи в складі з`єднань рідко є електрично нейтральними. Тобто вони майже ніколи не знаходяться в стані атомів. В освіті ковалентного зв`язку, яка вважається найпоширенішою, атоми також мають якийсь заряд, а електронна щільність зміщується вздовж зв`язків усередині молекули. Однак заряд іона тут не формується, тому як енергія ковалентного зв`язку менше, ніж енергія іонізації. Тому, незважаючи на різну електронегативність, одні атоми не можуть повністю притягнути електрони зовнішнього шару інших.
В іонних реакціях, де різниця електронегативності між атомами досить велика, один атом може забирати електрони зовнішнього шару в іншого атома. Тоді створена зв`язок сильно поляризується і розривається. Витрачена на це енергія, яка створює заряд іона, називається енергією іонізації. Для кожного атома вона різна і вказується в стандартних таблицях.
Іонізація можлива тільки в тому випадку, коли атом або група атомів здатний або віддавати електрони, або акцептувати їх. Найчастіше це спостерігається в розчині і кристалах солей. У кристалічній решітці також присутні майже нерухомі заряджені частинки, позбавлені кінетичної енергії. А оскільки в кристалі немає можливості для пересування, то реакція іонів протікають найчастіше в розчинах.
Іони в фізиці і хімії
Фізики і хіміки активно вивчають іони з кількох причин. По-перше, ці частинки присутні у всіх відомих агрегатних станах речовини. По-друге, енергію відриву електронів від атома можна виміряти, щоб використовувати це в практичній діяльності. По-третє, в кристалах і розчинах іони поводяться по-різному. І, по-четверте, іони дозволяють проводити електричний струм, а фізико-хімічні властивості розчинів змінюються в залежності від концентрацій іонів.
Іонні реакції в розчині
Самі розчини і кристали слід розглянути детальніше. У кристалах солей існують окремо розташовані позитивні іони, наприклад, катіони натрію і негативні, аніони хлору. Структура кристала дивовижна: за рахунок сил електростатичного притягання і відштовхування іони орієнтуються особливим чином. У випадку з хлоридом натрію вони утворюють так звану алмазну кристалічну решітку. Тут кожен натрієвий катіон оточений 6 хлоридними анионами. У свою чергу, кожен хлорідний аніон оточує 6 аніонів хлору. Через це проста кухонна сіль і в холодній і гарячій воді розчиняється майже з однаковою швидкістю.
У розчині теж не існує цілісної молекули хлориду натрію. Кожен з іонів тут оточується диполями води і хаотично пересувається в її товщі. Наявність зарядів і електростатичних взаємодій призводить до того, що сольові розчини води замерзають при температурі трохи менше нуля, а киплять при температурі вище 100 градусів. Більш того, якщо в розчині присутні інші речовини, здатні вступити в хімічну зв`язок, то реакція протікає не за участю молекул, а іонів. Це створило вчення про стадийности хімічної реакції.
Ті продукти, які виходять в кінці, не утворюються відразу в ході взаємодії, а поступово синтезуються з проміжних продуктів. Вивчення іонів дозволило зрозуміти, що реакція протікає якраз по принципам електростатичних взаємодій. Їх результатом є синтез іонів, які електростатично взаємодіють з іншими іонами, створюючи кінцевий рівноважний продукт реакції.
резюме
Така частка, як іон, це електрично заряджений атом або група атомів, яка виходить в ході втрати або придбання електронів. Найпростішим іоном є водневий: якщо він втрачає один електрон, то є лише ядро із зарядом +1. Він обумовлює кисле середовище розчинів і середовищ, що важливо для функціонування біологічних систем і організмів.
Іони можуть мати як позитивні, так і негативні заряди. За рахунок цього в розчинах кожна частка вступає в електростатичне взаємодія з диполями води, що також створює умови для життя і передачі сигналів клітинами. Більш того, в іонні технології розвиваються далі. Наприклад, створені іонні двигуни, якими оснащувалося вже 7 космічних місій NASA.
