Ion

Từ ion bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp ἰόν, ion , "đi", phân từ hiện tại của ἰέναι, ienai , "đi". Thuật ngữ này được nhà vật lý và hóa học người Anh Michael Faraday đưa ra vào năm 1834 (sau một gợi ý của nhà khoa học người Anh William Whewell ) ^[3] cho các loài chưa được biết đến khi đó đi từ điện cực này sang điện cực kia qua môi trường nước. ^{[4] [5]} Faraday không biết bản chất của những loài này, nhưng ông biết rằng vì kim loại hòa tan và đi vào dung dịch ở một điện cực và kim loại mới sinh ra từ dung dịch ở điện cực kia; rằng một loại chất nào đó đã di chuyển trong dung dịch trong một dòng điện. Điều này truyền tải vật chất từ ​​nơi này sang nơi khác. Tương ứng với Faraday, Whewell cũng đặt ra các từ cực dương và cực âm , cũng như anion và cation là các ion bị hút vào các điện cực tương ứng. ^[3]

Trong luận văn năm 1884, Svante Arrhenius đã đưa ra lời giải thích về thực tế là các muối tinh thể rắn phân ly thành các hạt tích điện ghép đôi khi hòa tan, nhờ đó ông đã giành được giải Nobel Hóa học năm 1903. ^[6] Giải thích của Arrhenius là khi tạo thành dung dịch, muối phân ly thành các ion của Faraday, ông đề xuất rằng các ion được hình thành ngay cả khi không có dòng điện. ^{[7] [8] [9]}

Các ion ở trạng thái giống khí của chúng có tính phản ứng cao và sẽ nhanh chóng tương tác với các ion mang điện tích trái dấu để tạo ra các phân tử trung hòa hoặc muối ion. Các ion cũng được tạo ra ở trạng thái lỏng hoặc rắn khi muối tương tác với dung môi (ví dụ, nước) để tạo ra các ion solvat hóa , ổn định hơn, vì lý do liên quan đến sự kết hợp của năng lượng và sự thay đổi entropi khi các ion di chuyển ra xa nhau. tương tác với chất lỏng. Những loài ổn định này thường được tìm thấy trong môi trường ở nhiệt độ thấp. Một ví dụ phổ biến là các ion có trong nước biển, có nguồn gốc từ các muối hòa tan.

Là các vật mang điện, các ion bị hút bởi các điện tích trái dấu (dương sang âm, và ngược lại) và bị đẩy bởi các điện tích tương tự. Khi chúng chuyển động, quỹ đạo của chúng có thể bị lệch bởi từ trường .

Các electron, do khối lượng nhỏ hơn và do đó có đặc tính lấp đầy không gian lớn hơn như sóng vật chất , quyết định kích thước của các nguyên tử và phân tử sở hữu bất kỳ electron nào. Do đó, các anion (ion mang điện tích âm) lớn hơn phân tử hoặc nguyên tử mẹ, do (các) electron dư đẩy nhau và tăng thêm kích thước vật lý của ion, vì kích thước của nó được xác định bởi đám mây electron của nó . Các cation nhỏ hơn nguyên tử hoặc phân tử mẹ tương ứng do kích thước nhỏ hơn của đám mây electron. Một cation cụ thể (của hydro) không chứa electron, và do đó bao gồm một proton duy nhất - nhỏ hơn nhiều so với nguyên tử hydro mẹ.

Anion và cation

Nguyên tử hydro (ở giữa) chứa một proton và một electron độc thân . Sự loại bỏ điện tử tạo ra một cation (trái), trong khi thêm một điện tử sẽ tạo ra một anion (phải). Anion hydro, với đám mây hai điện tử được tổ chức lỏng lẻo, có bán kính lớn hơn nguyên tử trung hòa, bán kính này lớn hơn nhiều so với proton trần của cation . Hydro tạo thành cation mang điện tích + 1 duy nhất không có electron, nhưng ngay cả các cation (không giống như hydro) giữ lại một hoặc nhiều electron vẫn nhỏ hơn các nguyên tử hoặc phân tử trung hòa mà chúng được tạo ra.

Vì điện tích trên proton có độ lớn bằng điện tích trên electron nên điện tích thuần trên ion bằng số proton trong ion trừ đi số electron.

An anion (phát âm là "một ai un" (-) ( / æ n ˌ aɪ . ən / ), từ ἄνω từ tiếng Hy Lạp ( ANO ), có nghĩa là "lên", ^[10] ) là một ion với các electron hơn proton, tạo cho nó một điện tích âm thuần (vì các electron mang điện tích âm và các proton mang điện tích dương). ^[11]

A cation (phát âm là "kat ai un" (+) ( / k æ t ˌ aɪ . ən / ), từ tiếng Hy Lạp κάτω ( Káto ), có nghĩa là "xuống", ^[12] ) là một ion với các electron ít hơn proton , mang lại cho nó một điện tích dương. ^[13]

Có những tên bổ sung được sử dụng cho các ion có nhiều điện tích. Ví dụ, ion có điện tích −2 được gọi là dianion và ion có điện tích +2 được gọi là dication . Một zwitterion là một phân tử trung tính với điện tích dương và âm ở những vị trí khác nhau trong phân tử đó. ^[14]

Các cation và anion được đo bằng bán kính ion của chúng và chúng khác nhau về kích thước tương đối: "Các cation đều nhỏ, hầu hết trong số chúng có bán kính nhỏ hơn 10 ⁻¹⁰ m (10 ⁻⁸ cm). Nhưng hầu hết các anion đều lớn, cũng như phổ biến nhất Trái đất anion, oxy . Từ thực tế này, rõ ràng là hầu hết không gian của một tinh thể bị chiếm bởi anion và rằng các cation phù hợp với không gian giữa chúng. " ^[15]

Thuật ngữ anion và cation (cho các ion lần lượt di chuyển đến cực dương và cực âm trong quá trình điện phân) được Michael Faraday đưa ra vào năm 1834 .

Sự xuất hiện tự nhiên

Các ion có mặt ở khắp nơi trong tự nhiên ^{[ cần dẫn nguồn ]} và chịu trách nhiệm cho các hiện tượng đa dạng từ sự phát quang của Mặt trời đến sự tồn tại của tầng điện ly của Trái đất . Các nguyên tử ở trạng thái ion của chúng có thể có màu khác với các nguyên tử trung tính, và do đó sự hấp thụ ánh sáng của các ion kim loại tạo ra màu sắc của đá quý . Trong cả hóa học vô cơ và hữu cơ (bao gồm cả hóa sinh), sự tương tác của nước và các ion là cực kỳ quan trọng ^{[ cần dẫn nguồn ]} ; một ví dụ là năng lượng thúc đẩy sự phân hủy adenosine triphosphate ( ATP ) ^{[ cần làm rõ ]} . Các phần sau đây mô tả các bối cảnh trong đó các ion có đặc điểm nổi bật; chúng được sắp xếp theo tỷ lệ chiều dài vật lý giảm dần, từ thiên văn đến hiển vi.

Các ion có thể được điều chế phi hóa học bằng cách sử dụng các nguồn ion khác nhau , thường liên quan đến điện áp hoặc nhiệt độ cao. Chúng được sử dụng trong vô số thiết bị như máy đo khối phổ , máy đo phổ phát xạ quang học , máy gia tốc hạt , máy cấy ion và động cơ ion .

Là các hạt tích điện phản ứng, chúng cũng được sử dụng trong việc lọc không khí bằng cách phá vỡ vi khuẩn và trong các vật dụng gia đình như máy dò khói .

Vì tín hiệu và sự trao đổi chất trong các sinh vật được điều khiển bởi một gradient ion chính xác qua các màng , sự gián đoạn của gradient này góp phần làm chết tế bào. Đây là một cơ chế phổ biến được khai thác bởi các chất diệt khuẩn tự nhiên và nhân tạo , bao gồm các kênh ion gramicidin và amphotericin (một loại thuốc diệt nấm ).

Các ion hòa tan vô cơ là một thành phần của tổng chất rắn hòa tan , một chỉ số được biết đến rộng rãi về chất lượng nước .

Phát hiện bức xạ ion hóa

Giản đồ của một buồng ion, cho thấy sự trôi dạt của các ion. Các electron trôi nhanh hơn các ion dương do khối lượng của chúng nhỏ hơn nhiều. ^[2]

Hiệu ứng tuyết lở giữa hai điện cực. Sự kiện ion hóa ban đầu giải phóng một điện tử, và mỗi vụ va chạm tiếp theo giải phóng một điện tử khác, do đó hai điện tử xuất hiện sau mỗi vụ va chạm: điện tử ion hóa và điện tử giải phóng.

Ảnh hưởng của bức xạ ion hóa trên một khí được sử dụng rộng rãi để phát hiện bức xạ như alpha , beta , gamma , và X-quang . Sự kiện ion hóa ban đầu trong các dụng cụ này dẫn đến sự hình thành "cặp ion"; một ion dương và một điện tử tự do, do tác động của ion bởi bức xạ lên các phân tử khí. Các buồng ion hóa là đơn giản nhất của các thiết bị dò, và thu thập tất cả những chi phí tạo ra bởi ion hóa trực tiếp trong khí thông qua ứng dụng của điện trường. ^[2]

Cả ống Geiger-Müller và máy đếm tỷ lệ đều sử dụng một hiện tượng được gọi là tuyết lở Townsend để nhân hiệu ứng của sự kiện ion hóa ban đầu bằng hiệu ứng thác theo đó các điện tử tự do được cung cấp đủ năng lượng bởi điện trường để giải phóng các điện tử tiếp theo bằng cách tác động của ion.

Biểu thị trạng thái tính phí

Các ký hiệu tương đương cho một nguyên tử sắt (Fe) bị mất hai điện tử, được gọi là sắt .

Khi viết công thức hóa học cho một ion, điện tích thực của nó được viết ở dạng siêu ký hiệu ngay sau cấu trúc hóa học của phân tử / nguyên tử. Điện tích thuần được viết với độ lớn trước dấu; nghĩa là, một cation tích điện kép được biểu thị là 2+ thay vì +2 . Tuy nhiên, độ lớn của điện tích bị bỏ qua đối với các phân tử / nguyên tử tích điện đơn lẻ; ví dụ, natri cation được chỉ định như Na ⁺ và không Na ¹⁺ .

Một cách thay thế (và có thể chấp nhận được) để hiển thị một phân tử / nguyên tử có nhiều điện tích là vẽ ra các dấu hiệu nhiều lần, điều này thường thấy với các kim loại chuyển tiếp. Các nhà hóa học đôi khi khoanh tròn dấu hiệu; đây chỉ là cây cảnh và không làm thay đổi ý nghĩa hóa học. Cả ba đại diện của Fe²⁺
, Fe ⁺⁺ , và Fe ^⊕⊕ trong hình, do đó tương đương.

Hỗn hợp chữ số La Mã và ký hiệu điện tích cho ion uranyl . Trạng thái oxy hóa của kim loại được biểu thị dưới dạng các chữ số La Mã viết trên, trong khi điện tích của toàn bộ phức chất được thể hiện bằng ký hiệu góc cùng với độ lớn và dấu của điện tích thực.

Các ion giải phẫu đôi khi cũng được ký hiệu bằng số La Mã, đặc biệt là trong quang phổ học ; ví dụ, Fe²⁺
Ví dụ ở trên được gọi là Fe ( II ) hoặc Fe ^II . Chữ số La Mã biểu thị trạng thái oxy hóa chính thức của một nguyên tố, trong khi các chữ số Ấn-Ả Rập được viết trên biểu thị điện tích thực. Do đó, hai ký hiệu có thể trao đổi cho các ion đơn nguyên, nhưng các chữ số La Mã không thể áp dụng cho các ion đa nguyên tử. Tuy nhiên, có thể trộn các ký hiệu cho tâm kim loại riêng lẻ với một phức đa nguyên tử, như được chỉ ra trong ví dụ về ion uranyl.

Các lớp phụ

Nếu một ion chứa các điện tử chưa ghép đôi , nó được gọi là ion gốc . Cũng giống như các gốc không tích điện, các ion gốc rất dễ phản ứng. Các ion đa nguyên tử có chứa oxy, chẳng hạn như cacbonat và sunfat, được gọi là oxyanion . Các ion phân tử có chứa ít nhất một liên kết cacbon với hydro được gọi là ion hữu cơ . Nếu điện tích trong một ion hữu cơ chính thức tập trung vào một cacbon, thì nó được gọi là cacbocation (nếu tích điện dương) hoặc carbanion (nếu tích điện âm).

Sự hình thành

Sự hình thành các ion đơn nguyên

Các ion nguyên tử được hình thành do sự tăng thêm hoặc mất đi các electron ở lớp vỏ hóa trị ( lớp electron ngoài cùng) trong nguyên tử. Các lớp vỏ bên trong của nguyên tử chứa đầy các electron liên kết chặt chẽ với hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương , và do đó không tham gia vào loại tương tác hóa học này. Quá trình nhận hoặc mất electron từ một nguyên tử hoặc phân tử trung hòa được gọi là quá trình ion hóa .

Nguyên tử có thể bị ion hóa bằng cách bắn phá bằng bức xạ , nhưng quá trình ion hóa thông thường hơn gặp trong hóa học là sự chuyển electron giữa các nguyên tử hoặc phân tử. Việc chuyển giao này thường được thúc đẩy bởi việc đạt được các cấu hình điện tử ổn định ("đóng vỏ"). Nguyên tử sẽ tăng hoặc mất electron tùy thuộc vào hành động nào tốn ít năng lượng nhất.

Ví dụ, một nguyên tử natri , Na, có một điện tử độc thân trong lớp vỏ hóa trị của nó, bao quanh 2 lớp vỏ bên trong ổn định, chứa đầy 2 và 8 điện tử. Vì những lớp vỏ được lấp đầy này rất ổn định, một nguyên tử natri có xu hướng mất thêm điện tử và đạt được cấu hình ổn định này, trở thành cation natri trong quá trình

Na → Na⁺
+
e^-

Mặt khác, một nguyên tử clo , Cl, có 7 electron trong lớp vỏ hóa trị của nó, là một nguyên tử ngắn của lớp vỏ bền, chứa đầy 8 electron. Do đó, một nguyên tử clo có xu hướng nhận thêm một điện tử và đạt được cấu hình 8 điện tử ổn định, trở thành anion clorua trong quá trình:

Cl +
e^-
→ Cl^-

Động lực này là nguyên nhân khiến natri và clo trải qua một phản ứng hóa học, trong đó điện tử "phụ" được chuyển từ natri sang clo, tạo thành cation natri và anion clorua. Mang điện trái dấu, các cation và anion này hình thành liên kết ion và kết hợp với nhau để tạo thành natri clorua , NaCl, thường được gọi là muối ăn.

Na⁺
+ Cl^-
→ NaCl

Sự hình thành các ion đa nguyên tử và phân tử

Một tiềm năng điện đồ của ion nitrat ( NO^-
₃). Vỏ 3 chiều đại diện cho một đẳng thế tùy ý duy nhất .

Các ion đa nguyên tử và phân tử thường được hình thành do sự tăng hoặc mất của các ion nguyên tố như proton, H⁺
, trong các phân tử trung tính. Ví dụ, khi amoniac , NH
₃, chấp nhận một proton, H⁺
—Một quá trình được gọi là proton hóa — nó tạo thành ion amoni , NH⁺
₄. Amoniac và amoni có cùng số electron về cơ bản cùng cấu hình điện tử , nhưng amoni có thêm một proton mang lại cho nó một điện tích dương thuần.

Amoniac cũng có thể mất điện tử để thu được điện tích dương, tạo thành ion NH⁺
₃. Tuy nhiên, ion này không ổn định, bởi vì nó có một lớp vỏ hóa trị không hoàn toàn xung quanh nguyên tử nitơ, làm cho nó trở thành một ion gốc phản ứng rất mạnh .

Do tính không ổn định của các ion gốc, các ion đa nguyên tử và phân tử thường được hình thành bằng cách thu hoặc mất các ion nguyên tố như H⁺
, chứ không phải đạt được hoặc mất đi các electron. Điều này cho phép phân tử duy trì cấu hình điện tử ổn định của nó trong khi vẫn thu được điện tích.

Tiềm năng ion hóa

Các năng lượng cần thiết để tách một electron ở trạng thái năng lượng thấp nhất từ một nguyên tử hay phân tử của một chất khí với điện tích ít ròng được gọi là tiềm năng ion hóa , hoặc năng lượng ion hóa . Các n thứ năng lượng ion hóa của một nguyên tử là năng lượng cần thiết để tách nó n th điện tử sau khi người đầu tiên n - 1 electron đã được tách ra.

Năng lượng ion hóa của mỗi lần liên tiếp lớn hơn lần trước rõ rệt. Sự gia tăng đặc biệt lớn xảy ra sau khi bất kỳ khối obitan nguyên tử nào đã cho hết electron. Vì lý do này, các ion có xu hướng hình thành theo cách khiến chúng có đầy đủ các khối quỹ đạo. Ví dụ, natri có một điện tử hóa trị ở lớp vỏ ngoài cùng của nó, vì vậy ở dạng ion hóa, nó thường được tìm thấy với một điện tử bị mất, là Na⁺
. Ở phía bên kia của bảng tuần hoàn, clo có bảy điện tử hóa trị, vì vậy ở dạng ion hóa, nó thường được tìm thấy với một điện tử thu được, là Cl^-
. Cesium có năng lượng ion hóa đo được thấp nhất trong tất cả các nguyên tố và helium có năng lượng lớn nhất. ^[16] Nhìn chung, năng lượng ion hóa của kim loại thấp hơn nhiều so với năng lượng ion hóa của phi kim , đó là lý do tại sao nói chung, kim loại sẽ mất electron để tạo thành ion mang điện tích dương và phi kim sẽ nhận electron để tạo thành ion mang điện tích âm.

Liên kết ion

Liên kết ion là một loại liên kết hóa học hình thành từ lực hút lẫn nhau của các ion mang điện trái dấu. Các ion mang điện tích giống nhau đẩy nhau, và các ion mang điện tích trái dấu hút nhau. Do đó, các ion thường không tự tồn tại mà sẽ liên kết với các ion mang điện tích trái dấu để tạo thành mạng tinh thể . Hợp chất tạo thành được gọi là hợp chất ion , và được cho là được giữ với nhau bằng liên kết ion . Trong các hợp chất ion, xuất hiện các khoảng cách đặc trưng giữa các ion lân cận mà từ đó sự mở rộng không gian và bán kính ion của các ion riêng lẻ có thể được tạo ra.

Loại liên kết ion phổ biến nhất được thấy trong các hợp chất của kim loại và phi kim (trừ khí cao , hiếm khi tạo thành hợp chất hóa học). Các kim loại được đặc trưng bởi có một số lượng nhỏ các electron vượt quá một cấu hình điện tử bền, vỏ kín. Do đó, chúng có xu hướng mất các electron thừa này để đạt được cấu hình ổn định. Tính chất này được gọi là độ nhạy điện . Mặt khác, phi kim loại được đặc trưng bởi cấu hình electron chỉ thiếu một vài electron so với cấu hình ổn định. Do đó, chúng có xu hướng thu được nhiều electron hơn để đạt được cấu hình ổn định. Xu hướng này được gọi là độ âm điện . Khi một kim loại có độ nhiễm điện cao kết hợp với phi kim có độ âm điện lớn, các electron thừa từ nguyên tử kim loại được chuyển sang nguyên tử phi kim thiếu electron. Phản ứng này tạo ra các cation kim loại và anion phi kim, chúng bị hút vào nhau để tạo thành một muối .

Các ion chung