Ion, Los aniones y cationes, Historia del descubrimiento, Características, Tecnología relacionada, Química

Un ión es un átomo o molécula en la que el número total de electrones no es igual al número total de protones, dando el átomo de una carga eléctrica neta positiva o negativa.

Los iones pueden ser creados por ambos medios químicos y físicos. En términos químicos, si un átomo neutro pierde uno o más electrones, que tiene una carga positiva neta y es conocido como un catión. Si un átomo gana electrones, que tiene una carga neta negativa y se conoce como un anión. Un ion que consiste en un único átomo es un ion atómico o monoatómico; si consiste de dos o más átomos, que es un ion molecular o poliatómico.

En el caso de ionización física de un medio, tal como un gas, lo que se conoce como "pares de iones" se crean por el impacto de iones, y cada par se compone de un electrón libre y un ion positivo.

Los aniones y cationes

 "Cationes" y "anión" redirigen aquí. Para la física/concepto de computación cuántica de partículas, ver Anyon. Para otras aplicaciones, vea Ion.

Dado que la carga eléctrica en un protón es igual en magnitud a la carga de un electrón, la carga eléctrica neta de un ion es igual al número de protones en el ion menos el número de electrones.

Un anión, de la palabra griega ?, Que significa "arriba", es un ion con más electrones que protones, lo que supone una carga neta negativa.

Un catión, de la palabra griega? At?, Que significa "abajo", es un ion con menos electrones que protones, lo que supone una carga positiva.

Hay otros nombres utilizados para los iones con cargas múltiples. Por ejemplo, un ion con una carga de -2 se conoce como un dianión y un ión con una carga 2 se conoce como un dicatión. Un ion híbrido es una molécula neutra con cargas positivas y negativas en diferentes ubicaciones dentro de esa molécula.

Historia del descubrimiento

La palabra ion es el griego ?, El participio presente? E? A?, Ienai, "ir". Este término fue introducido por el físico Inglés y químico Michael Faraday en 1834 para la especie entonces-desconocidos que va desde un electrodo al otro a través de un medio acuoso. Faraday no conocía la naturaleza de estas especies, pero sabía que ya que los metales disueltos en solución y se introdujeron en un electrodo y nuevo metal salieron de la solución en el otro electrodo, que algún tipo de sustancia se movió a través de la solución en una corriente, transporte de materia de un lugar a otro.

Faraday también introdujo las palabras anión de un ion con carga negativa, y el catión de una cargada positivamente. En la nomenclatura de Faraday, cationes fueron nombrados porque fueron atraídos hacia el cátodo en un dispositivo galvánico y aniones fueron nombrados por su atracción hacia el ánodo.

Características

Los iones en el gas-como estado son altamente reactivos, y no se producen en grandes cantidades en la Tierra, excepto en llamas, rayos, chispas eléctricas y otros plasmas. Estos iones de gas similares a interactuar rápidamente con iones de carga opuesta para dar moléculas neutras o sales iónicas. Los iones también se producen en el estado líquido o sólido cuando las sales interactúan con disolventes para producir "iones solvatados", que son más estables, por razones que involucran una combinación de cambios de energía y la entropía como los iones se mueven alejándose entre sí para interactuar con el líquido . Estas especies estabilizadas se encuentran más comúnmente en el medio ambiente a bajas temperaturas. Un ejemplo común es que los iones presentes en el agua de mar, que se derivan de las sales disueltas.

Todos los iones están cargados, lo que significa que al igual que todos los objetos cargados que son:

  • atraídos por las cargas eléctricas opuestas,
  • repelido por cargos como
  • cuando se mueve, viajar en trayectorias que son desviados por un campo magnético.

Los electrones, debido a su menor masa y propiedades de llenado de espacio por lo tanto mayores como las ondas de materia, determinar el tamaño de los átomos y moléculas que poseen los electrones en absoluto. Por lo tanto, los aniones son más grandes que la molécula padre o átomo, como el exceso de electrones se repelen entre sí, y añadir al tamaño físico de los iones, debido a que su tamaño se determina por su nube de electrones. Como tal, en general, los cationes son más pequeñas que el átomo o molécula de matriz correspondiente debido al tamaño más pequeño de su nube de electrones. Un catión particular, no contiene electrones, y por lo tanto es mucho más pequeño que el átomo de hidrógeno padre.

Sucesos naturales

Los iones son ubicuas en la naturaleza y son responsables de diversos fenómenos de la luminosidad del Sol a la existencia de la ionosfera de la Tierra. Los átomos en su estado iónico pueden tener un color diferente de átomos neutros, y por lo tanto la absorción de luz por los iones metálicos da el color de las piedras preciosas. En química tanto inorgánicos como orgánicos, la interacción de agua y los iones es muy importante; un ejemplo es la energía que impulsa desglose de trifosfato de adenosina. Las siguientes secciones describen los contextos en los que los iones ocupan un lugar destacado, los cuales están dispuestos en la disminución de escala física, de la astronomía a lo microscópico.

Una colección de los iones de gas-como no acuosos, o incluso un gas que contiene una proporción de partículas cargadas, se llama un plasma. Mayor que 99,9% de la materia visible en el Universo puede estar en la forma de los plasmas. Estos incluyen el Sol y otras estrellas y el espacio entre los planetas, así como el espacio entre las estrellas. Los plasmas se denominan a menudo el cuarto estado de la materia debido a que sus propiedades son sustancialmente diferentes de las de los sólidos, líquidos y gases. Plasmas Astrophysical contienen predominantemente una mezcla de electrones y protones.

Tecnología relacionada

Los iones pueden ser no-químicamente preparados utilizando diversas fuentes de iones, que generalmente incluye de alto voltaje o la temperatura. Estos se utilizan en una multitud de dispositivos tales como espectrómetros de masas, espectrómetros de emisión óptica, aceleradores de partículas, implantadores de iones, y los motores de iones.

Como las partículas cargadas reactivos, que también se utilizan en la purificación del aire mediante la interrupción de los microbios, y en artículos para el hogar, tales como detectores de humo.

Como la señalización y el metabolismo en los organismos son controlados por un gradiente iónico precisa a través de membranas, la interrupción de este gradiente contribuye a la muerte celular. Este es un mecanismo común explotado por biocidas naturales y artificiales, incluyendo los canales de iones gramicidina y anfotericina.

Iones inorgánicos disueltos son un componente de los sólidos disueltos totales, un indicador de la calidad del agua en el mundo.

La detección de las radiaciones ionizantes

El efecto de la radiación ionizante en un gas se usa ampliamente para la detección de la radiación, tales como alfa, beta, gamma y rayos-X. El evento original ionización en estos resultados instrumentos en la formación de un "par iónico"; un ion positivo y un electrón libre, por impacto de iones por la radiación en las moléculas de gas. La cámara de ionización es el más simple de estos detectores, y recoge todas las cargas creadas por ionización directa dentro del gas a través de la aplicación de un campo eléctrico.

El tubo Geiger-Müller y el contador proporcional tanto utilizan un fenómeno conocido como una avalancha Townsend para multiplicar el efecto del evento ionizante original por medio de un efecto de cascada mediante el cual los electrones libres se dan suficiente energía por el campo eléctrico para liberar más electrones por impacto de iones.

Química

Notación

 Indicando el estado de carga

Al escribir la fórmula química para un ion, su carga neta está escrito en superíndice inmediatamente después de la estructura química de la molécula/átomo. La carga neta se escribe con la magnitud antes de la señal: es decir, un catión doblemente cargado está indicado como 2 en lugar de 2. Sin embargo, la magnitud de la carga se omite para las moléculas/átomos cargados por separado, por ejemplo, el catión de sodio está indicado como Na y no Na1 .

Una manera alternativa de mostrar una molécula/átomo con múltiples cargas es mediante la elaboración de las señales múltiples veces, lo que se ve a menudo con metales de transición. Los químicos veces la vuelta al signo, lo que es meramente ornamental y no altera el sentido químico. Todas las tres representaciones de Fe2 que se muestran en la figura son, por lo tanto, equivalente.

Iones monoatómicos a veces también se indican con números romanos, por ejemplo, el ejemplo Fe2 visto anteriormente se denomina a veces como Fe o FeII. El número romano designa el estado de oxidación formal de un elemento, mientras que los números en superíndice denota la carga neta. Los dos notaciones son, por lo tanto, intercambiables por iones monoatómicos, pero los números romanos no se pueden aplicar a los iones poliatómicos. Sin embargo, es posible mezclar las notaciones para el centro de metal individuo con un complejo poliatómicos, como se muestra por el ejemplo de iones de uranilo.

 Subclases

Si un ion contiene electrones no apareados, se llama un ion radical. Al igual que los radicales no cargados, los iones radicales son muy reactivos. Iones poliatómicos que contienen oxígeno, tales como carbonato y sulfato, se llaman oxianiones. Iones moleculares que contienen al menos un enlace carbono-hidrógeno se denominan iones orgánicos. Si la carga en un ion orgánico se centra formalmente en un carbono, que se denomina un carbocatión o carbanión.

Formación

 Formación de iones monoatómicos

Iones monoatómicos se forman por la pérdida o ganancia de electrones de la capa de valencia de un átomo. Las capas internas de un átomo están llenos de electrones que están estrechamente ligados al núcleo atómico cargado positivamente, por lo que no participan en este tipo de interacción química. El proceso de ganar o perder electrones de un átomo neutro o molécula se llama ionización.

Los átomos pueden ser ionizado por bombardeo con radiación, pero el proceso más habitual de ionización encontrado en la química es la transferencia de electrones entre los átomos o moléculas. Esta transferencia es por lo general conducido por la consecución de configuraciones electrónicas estables. Los átomos se ganan o pierden electrones en función de la acción que lleva a la menor cantidad de energía.

Por ejemplo, un átomo de sodio, Na, tiene un solo electrón en su capa de valencia, que rodea 2 capas internas estables, llenos de 2 y 8 electrones. Desde estos depósitos llenos son muy estables, un átomo de sodio tiende a perder su electrón extra y alcanzar esta configuración estable, convirtiéndose en un catión de sodio en el proceso

 Na? Na e-

Por otro lado, un átomo de cloro, Cl, tiene 7 electrones en su capa de valencia, que es uno corto de la concha estable, lleno con 8 electrones. Por lo tanto, un átomo de cloro tiende a ganar un electrón extra y obtener una configuración de 8-estable de electrones, convirtiéndose en un anión cloruro en el proceso:

 Cl e-? Cl-

Esta fuerza impulsora es lo que causa sodio y cloro para someterse a una reacción química, en el que el electrón "extra" se transfiere de sodio al cloro, formando cationes de sodio y aniones cloruro. Siendo carga opuesta, estos cationes y aniones forman enlaces iónicos y se combinan para formar cloruro de sodio, NaCl, más comúnmente conocido como sal de roca.

 Na Cl-? Formación de NaCl de iones poliatómicos y moleculares

Iones poliatómicos y moleculares se forman a menudo por el aumento o pérdida de iones elementales tales como H en moléculas neutras. Por ejemplo, cuando el amoníaco, NH3, acepta un protón, H , que forma el ion amonio, NH 4. El amoníaco y amonio tener el mismo número de electrones en esencialmente la misma configuración electrónica, pero de amonio tiene un protón adicional que le da una carga neta positiva.

El amoníaco también puede perder un electrón para obtener una carga positiva, que forma el ion NH 3. Sin embargo, este ión es inestable, debido a que tiene una cáscara incompleta de valencia alrededor del átomo de nitrógeno, por lo que es un ion radical muy reactivo.

Debido a la inestabilidad de los iones radicales, iones poliatómicos y moleculares se forman generalmente por ganar o perder iones elementales tales como H , en lugar de ganar o perder electrones. Esto permite que la molécula de preservar su configuración electrónica estable, mientras que la adquisición de una carga eléctrica.

La energía requerida para separar un electrón en su estado de menor energía de un átomo o molécula de un gas con carga eléctrica neta menos se llama el potencial de ionización, o energía de ionización. La energía de ionización n-ésima de un átomo es la energía requerida para separar su electrón n tras la primera n - 1 electrones ya se han desprendido.

Cada energía de ionización sucesivas es notablemente mayor que la anterior. Particularmente grandes aumentos se producen después de cualquier bloque dado de orbitales atómicos se agota de electrones. Por esta razón, los iones tienden a formarse en formas que les dejan con bloques orbitales completos. Por ejemplo, el sodio tiene un electrón de valencia en su capa externa, por lo que en forma ionizada que se encuentra comúnmente con uno perdido electrones, como Na . En el otro lado de la tabla periódica, cloro tiene siete electrones de valencia, por lo que en forma ionizada que se encuentra comúnmente con uno ha subido de electrones, como Cl-. Cesio tiene la más baja energía de ionización medido de todos los elementos y el helio tiene el mayor. En general, la energía de ionización de los metales es mucho menor que la energía de ionización de los elementos no metálicos, por lo que, en general, los metales se pierden electrones para formar iones cargados positivamente y no metales se ganar electrones para formar iones con carga negativa.

Enlace iónico

El enlace iónico es un tipo de unión química que surge de la atracción mutua de los iones de carga opuesta. Los iones de carga como se repelen entre sí, y los iones de carga opuesta se atraen entre sí. Por lo tanto los iones no existen por lo general en su propia, pero se unirán con iones de carga opuesta para formar una red cristalina. El compuesto resultante se denomina un compuesto iónico, y se dice que está unido por enlace iónico. En los compuestos iónicos surgen distancias características entre los vecinos de iones de los que pueden derivarse de la extensión espacial y el radio iónico de los iones individuales.

El tipo más común de enlace iónico se ve en compuestos de metales y no metales. Los metales se caracterizan por tener un pequeño número de electrones en exceso de una configuración electrónica estable, de capa cerrada. Como tales, tienen la tendencia a perder estos electrones adicionales con el fin de alcanzar una configuración estable. Esta propiedad se conoce como electropositividad. Los no metales, por otro lado, se caracterizan por tener una configuración electrónica sólo unos pocos electrones corto de una configuración estable. Como tales, tienen la tendencia a aumentar más electrones con el fin de lograr una configuración estable. Esta tendencia se conoce como electronegatividad. Cuando un metal muy electropositivo se combina con un no metal altamente electronegativo, los electrones adicionales desde los átomos de metal se transfieren a los átomos no metálicos deficientes en electrones. Esta reacción produce cationes metálicos y aniones no metálicos, que son atraídos el uno al otro para formar una sal.

Aplicaciones Químicas

Cada energía de ionización sucesivas es notablemente mayor que la anterior. Particularmente grandes aumentos se producen después de cualquier bloque dado de orbitales atómicos se agota de electrones. Por esta razón, los iones tienden a formarse en formas que les dejan con bloques orbitales completos. Por ejemplo, el sodio tiene un electrón de valencia en su capa externa, por lo que en forma ionizada que se encuentra comúnmente con uno perdido electrones, como Na . En el otro lado de la tabla periódica, cloro tiene siete electrones de valencia, por lo que en forma ionizada que se encuentra comúnmente con uno ha subido de electrones, como Cl-. Cesio tiene la más baja energía de ionización medido de todos los elementos y el helio tiene el mayor. En general, la energía de ionización de los metales es mucho menor que la energía de ionización de los elementos no metálicos, por lo que, en general, los metales se pierden electrones para formar iones cargados positivamente y no metales se ganar electrones para formar iones con carga negativa.

Iones comunes