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.

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.

Многоатомные частицы, несущие электрический заряд. Заряд иона кратен элементарному электрическому заряду и всегда целочисленный. Заряд одноатомного иона химического элемента по числу и знаку совпадает со степенью окисления этого элемента; заряд многоатомного иона равен алгебраической сумме степеней окисления элементов с учётом числа их атомов. Положительно заряженные ионы (например, К + , Са 2+ , ΝΗ + 4) называют катионами (от греческого κατιών - идущий вниз), отрицательно заряженные ионы (например, Сl - , SO 4 2- , СН 3 СОО -) - анионами (от греческого ανιών - идущий вверх). Процесс образования ионов называется ионизацией. Термины «ион», «катион» и «анион» ввёл в 1834 году М. Фарадей, изучавший действие электрического поля на водные растворы различных химических соединений. В постоянном электрическом поле катионы перемещаются к отрицательно заряженному электроду (катоду), анионы - к положительно заряженному электроду (аноду).

В виде самостоятельных частиц ионы могут существовать во всех агрегатных состояниях вещества: в газах (смотри Ионы в газах, Ионы в атмосфере), в кристаллах (смотри Ионные кристаллы), в плазме, в жидкостях - в расплавах (смотри Ионные жидкости) и в растворах (смотри Электролитическая диссоциация). Ионы являются структурными единицами химических соединений с ионной химической связью. Такие соединения в твёрдом состоянии, расплавах и растворах состоят из катионов и анионов; например, хлорид натрия NaCl - из катионов Na + и анионов Cl - , ацетат калия СН 3 СООК - из катионов К + и анионов СН3СОО - . Некоторые соединения с полярной ковалентной связью (например, хлороводород НСl) при растворении в воде и других полярных растворителях диссоциируют на ионы. В зависимости от природы растворителя и растворённого вещества, содержащиеся в растворах ионы, могут либо взаимодействовать с молекулами растворителя, в результате чего вокруг ионов формируются сольватные оболочки, либо находиться достаточно близко, образуя ионные пары.

Ионы образуются при отрыве электронов от атомов и молекул, находящихся в газовой фазе (при этом расходуется энергия ионизации), или в результате присоединения электронов к таким атомам и молекулам (энергия, затрачиваемая или высвобождающаяся при этом, - сродство атома или молекулы к электрону). К образованию ионов приводит также присоединение иона простого состава к нейтральной молекуле или другому иону. Например, при присоединении иона Н + к молекуле воды Н 2 О получается ион гидроксония Н 3 О + . Возможно образование ионов при разрушении молекул в результате термического или радиационного воздействия. При образовании иона всегда сохраняется суммарный первоначальный заряд участвующих в этом процессе частиц (если ионы образовались из нейтральных атомов или молекул, то суммарный заряд всех ионов равен нулю). Некоторые молекулы, находящиеся в растворах или кристаллах, оставаясь в целом электронейтральными, содержат в различных участках противоположно заряженные группы (смотри Цвиттер-ионы). Комплекс, состоящий из нескольких нейтральных атомов или молекул и ионов, - кластерный ион.

Химические реакции в растворе (или расплаве) с участием ионных соединений обусловлены перемещением ионов в этой среде и образованием ими новых нейтральных частиц или более сложных ионов. В живых организмах ионы участвуют в различных обменных процессах, регуляции мышечных сокращений, передаче нервных импульсов и т.д. (смотри, например, в статье Ионные насосы).

Лит.: Крестов Г. А. Термодинамика ионных процессов в растворах. Л., 1984.

Электрохимия. Электролиз. Гальванические элементы

Химическая термодинамика, система, энтальпия

Сколько времени займёт реакция? Что влияет на скорость реакции?

Равновесие обратимых реакций. Принцип Ле Шателье. Влияние внешних факторов на равновесие

Мера беспорядка, энергия вселенной, свободная энергия Гиббса

Основные классы химических соединений. Классификация

Ион - это заряженная частица, образованная из молекулы или атома путём потери или приобретения одного электрона. Отсюда следует, что в ионе количество протонов не равно количеству электронов. После изучения статьи Вы узнаете, какими бывают заряженные частицы, что такое ионы, катионы и анионы, также Вы сможете по номеру элемента узнать, каким зарядом он может обладать.

Число электронов в ионе

Количество электронов в нейтральном атоме равно количеству протонов в ядре, например, у хрома (24 Cr) 24 протона, соответствено, вокруг ядра вращается 24 электрона. Как было рассказано в статье , каждый электрон двигается по некой орбитали, то есть обладает заданным количеством энергии.

Если ион образован из-за потери электрона, то заряд иона становится положительным (электрон имеет отрицательный заряд), схема для запоминания:

24 Cr - e - = 24 Cr + e + = 24 Cr +
24 Cr - 3e - = 24 Cr + 3e + = 24 Cr 3+

Аналогично при присоединении электрона:

24 Cr + e - = 24 Cr - e + = 24 Cr -
24 Cr + 3e - = 24 Cr - 3e + = 24 Cr 3-

Энергия ионизации

Если электрону сообщить достаточное количество энергии, то электрон "оторвётся" от атома. Чем ближе электрон к ядру - тем сложнее его отрывать, а значит, больше энергии необходимо передать. Энергия, необходимая для отрыва электрона, называется энергией ионизации или ионизационный потенциал (I). Значения I затабулированы и могут быть найдены в различных справочниках.

#	Элемент	Название	кДж/моль
1	H	Водород	1312
2	He	Гелий	2373
3	Li	Литий	520
4	Be	Бериллий	899.5
5	B	Бор	801
6	C	Углерод	1086
7	N	Азот	1402
8	O	Кислород	1314
9	F	Фтор	1681
10	Ne	Неон	2080.7
11	Na	Натрий	495
12	Mg	Магний	738
13	Al	Алюминий	578
14	Si	Кремний	787
15	P	Фосфор	1012
16	S	Сера	1000
17	Cl	Хлор	1251
18	Ar	Аргон	1520.6
19	K	Калий	418.8
20	Ca	Кальций	590
21	Sc	Скандий	633.1
22	Ti	Титан	658.8
23	V	Ванадий	650.9
24	Cr	Хром	652.9
25	Mn	Марганец	717.3
26	Fe	Железо	762.5
27	Co	Кобальт	760.4
28	Ni	Никель	737.1
29	Cu	Медь	745.5
30	Zn	Цинк	906.4
31	Ga	Галлий	578.8
32	Ge	Германий	762
33	As	Мышьяк	947
34	Se	Селен	941
35	Br	Бром	1142
36	Kr	Криптон	1350.8
37	Rb	Рубидий	403
38	Sr	Стронций	549
39	Y	Иттрий	600
40	Zr	Цирконий	640.1
41	Nb	Ниобий	652.1
42	Mo	Молибден	684.3
43	Tc	Технеций	702
44	Ru	Рутений	710.2
45	Rh	Родий	719.7
46	Pd	Палладий	804.4
47	Ag	Серебро	731
48	Cd	Кадмий	867.8
49	In	Индий	558.3
50	Sn	Олово	709
51	Sb	Сурьма	834
52	Te	Теллур	869
53	I	Иод	1008
54	Xe	Ксенон	1170.4
55	Cs	Цезий	375.7
56	Ba	Барий	503
57	La	Лантан	538.1
58	Ce	Церий	534.4
59	Pr	Празеодим	527
60	Nd	Неодим	533.1
61	Pm	Прометий	540
62	Sm	Самарий	544.5
63	Eu	Европий	547.1
64	Gd	Гадолиний	593.4
65	Tb	Тербий	565.8
66	Dy	Диспрозий	573
67	Ho	Гольмий	581
68	Er	Эрбий	589.3
69	Tm	Тулий	596.7
70	Yb	Иттербий	603.4
71	Lu	Лютеций	523.5
72	Hf	Гафний	658.5
73	Ta	Тантал	761
74	W	Вольфрам	770
75	Re	Рений	760
76	Os	Осмий	840
77	Ir	Иридий	880
78	Pt	Платина	870
79	Au	Золото	890.1
80	Hg	Ртуть	1007.1
81	Tl	Таллий	589.4
82	Pb	Свинец	715.6
83	Bi	Висмут	703
84	Po	Полоний	812.1
85	At	Астат	890
86	Rn	Радон	1037
87	Fr	Франций	380
88	Ra	Радий	509.3
89	Ac	Актиний	499
90	Th	Торий	587
91	Pa	Протактиний	568
92	U	Уран	597.6
93	Np	Нептуний	604.5
94	Pu	Плутоний	584.7
95	Am	Америций	578
96	Cm	Кюрий	581
97	Bk	Берклий	601
98	Cf	Калифорний	608
99	Es	Эйнштейний	619
100	Fm	Фермий	627
101	Md	Менделевий	635
102	No	Нобелий	642
103	Lr	Лоуренсий	470
104	Rf	Резерфордий	580
Таблица 1. Энергия ионизации, справочные данные

Энергия сродства электрону

Также электроны могут присоединяться к атому, в процессе присоединения электрон выделяет энергию, такая энергия называется энергией сродства электрону , для каждого электрона конкретного атома энергия сродства численно равна и противоположна по знаку энергии ионизации, например, 17 Cl, что бы оторвать 17й электрон у атома хлора, необходимо сообщить ему 13 эВ, любой другой электрон, который присоединится на место 17го электрона также выделит 13 эВ.

Катионы и анионы

Атомы, в которых количество протонов не равно количеству электронов называются ионами, поскольку электрон имеет отрицательный заряд, то если электронов больше протонов, то суммарный заряд отрицательный: S 2- означает, что в данном атоме серы количество электронов больше чем протонов на два электрона. Соответственно, если электронов меньше чем протонов, то суммарный заряд положительный и обозначается H + . Отрицательно заряженные атомы называются анионами , положительно заряженные атомы - катионами .

Какой заряд будет у атома?

Теоретически возможно отобрать все электроны у атома, но это возможно только в лабораторных условиях и за пределами лаборатории атомы в таком состоянии находиться не будут, почему?

Вернёмся к устройству электронной оболочки. Вокруг атома электроны сгруппированы по энергетическим уровням, каждый заполненный уровень экранирует ядро и является более стабильным, нежели не до конца заполненный уровень. То есть электронная конфигурация стремиться к состоянию заполненного подуровня: если на p-оболочке находится 5 электронов, то вероятнее атом примет один электрон, нежели отдаст пять. Так, например, у атома хлора, пять электронов на 3p-подуровне, энергия сродства хлора - 3.61 эВ, энергия ионизации - 13 эВ. У натрия на последнем подуровне один электрон, энергия сродства - 0,78 эВ, потенциал ионизации - 0,49 эВ, поэтому вероятнее натрий отдаст один электрон, нежели примет его.

Зная потенциал ионизации и энергию сродства мы можем сделать предположение о взаимодействии веществ. Если смешать натрий и хлор, и сообщить им энергию, то вероятнее всего Na будет отдавать один электрон Cl и в результате получится смесь ионов Na + и Cl - .

Пример

Так можно по номеру элемента предположить, какой заряд он будет иметь, например, 19й элемент, электронная конфигурация - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 , вероятнее всего, такой элемент может либо отдать, либо принять один электрон. У 27го элемента электронная конфигурация выглядит так: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 7 , у d-подуровня всего может быть 10 атомов, т.е. либо атом примет 1,2 или 3 электрона, либо отдаст 1,2,3...7 электронов, так, вероятнее, он примет 3, т.е. возможные состояния - это +1, +2 и +3,

Теперь Вы знаете, что такое ионы, осталось изучить химическую связи и Вы сможете составлять окислительно-восстановительные реакции!

Практически все видели рекламу так называемой «люстры Чижевского», от которой отрицательные ионы в воздухе увеличиваются количественно. Однако после школы далеко не все точно помнят само Ионы - это заряженные частицы, утратившие свойственную нормальным атомам нейтральность. А теперь немного подробнее.

«Неправильные» атомы

Как вы знаете, номер в таблице великого Менделеева, связан с количеством протонов в ядре атома. Почему же не электронов? Потому что количество и комплектность электронов, хоть и влияет на свойства атома, но не определяет его фундаментальных свойств, связанных с ядром. Электронов может не хватать, а может быть слишком много. Ионы - это как раз атомы с «неправильным» количеством электронов. Причем парадоксальным образом положительными называются имеющие недостаток электронов, а отрицательными - избыток.

Немного о названиях

Как возникают ионы? Это простой вопрос - путей образования всего два. Либо химический путь, либо физический. В результате может получиться положительный ион, который нередко называют катионом, а отрицательный, соответственно, анионом. Дефицит или избыток заряда может иметь атом-одиночка или целая молекула, которая тоже считается ионом особого многоатомного типа.

Стремление к стабильности

Если происходит ионизация среды, к примеру, газа, то в ней существуют количественно пропорциональные соотношения электронов и положительных ионов. Но такое явление встречается редко (во время грозы, возле пламени), газ в таком измененном состоянии существует недолго. Поэтому в целом, близко к земле способные к реакции ионы воздуха - редкость. Газ - среда очень быстро меняющаяся. Как только действие ионизующих факторов прекращается, ионы встречаются друг с другом и вновь становятся нейтральными атомами. Это их нормальное состояние.

Агрессивная жидкость

Ионы в больших количествах могут содержаться в воде. Дело в том, что молекулы воды - частицы, в которых распространен по молекуле неравномерно, они представляют собой диполи, имеющие с одной стороны положительный заряд, с другой - отрицательный.

И когда в воде появляется растворимое вещество, молекулы воды своими полюсами электрически воздействуют на добавленное вещество, ионизируя его. Хорошим примером является морская вода, в которой множество веществ существует в такой форме, как ионы. Это известно людям достаточно давно. В атмосфере выше определенной точки ионов очень много, эта оболочка называется ионосферой. разрушает стабильные атомы и молекулы. Частицы в ионизированном состоянии могут придавать всему веществу. Пример - яркие необычные цвета драгоценных камней.

Ионы - это основа жизни, потому что базовый процесс получения энергии из АТФ невозможен без создания электрически нестабильных частиц, само основано на взаимодействиях ионов и множества химических процессов, катализируемых ферментами, происходит только благодаря ионизации. Неудивительно, что некоторые вещества в этом состоянии человек принимает внутрь. Классический пример - полезные ионы серебра.