Ioon: elektriliselt laetud aatomid ja molekulid — määratlus ja näited
Ioon: mis on elektriliselt laetud aatom või molekul? Selgitused ioniseerimisest, H+ ja elektroninäited, elektrolüüdid, plasma ning värvilised üleminekumetallide ioonid.
Ioon on elektriliselt laetud aatom või aatomite rühm. See on aatomi või aatomirühma (molekuli) osa. See on "laetud", nii et see liigub elektri lähedal. See tuleneb sellest, et aatomid koosnevad kolmest väiksemast osast:
- neutronid (ilma laenguta),
- võrdne arv laetud prootoneid ja
- vastassuunaliselt laetud elektronid.
Ioonil on ebavõrdne arv prootoneid ja elektrone. Aatomist või molekulist iooni valmistamist nimetatakse ioniseerimiseks.
Prootoni laeng on +1 (positiivselt laetud). Elektroni laengut mõõdetakse kui -1 (negatiivselt laetud). Ioniseerunud aatom moodustab kaks iooni, millest üks on positiivselt ja teine negatiivselt laetud. Näiteks neutraalsel vesiniku aatomil on üks prooton ja üks elektron. Aatomi kuumutamine lõhub selle kaheks osaks: (1) positiivselt laetud vesinikiooniks, H+ (2) negatiivselt laetud elektroniks.
Ioone sisaldavat vedelikku nimetatakse elektrolüüdiks. Palju ioone sisaldavat gaasi nimetatakse plasmaks. Kui ioonid liiguvad, nimetatakse seda elektriks. Näiteks juhtmes ei liigu metalli ioonid, kuid elektronid liiguvad elektrina. Positiivne ja negatiivne ioon liiguvad koos. Kaks sama laenguga iooni liiguvad lahku. Kui ioonid liiguvad, tekitavad nad ka magnetvälja.
Paljud ioonid on värvitu. Perioodilise tabeli põhirühmadesse kuuluvad elemendid moodustavad värvituid ioone. Mõned ioonid on värvilised. Üleminekumetallid moodustavad tavaliselt värvilisi ioone.
Kuidas ioonid tekivad
- Laengu saamiseks annab aatom elektronid ära (tekib positiivne ioon ehk katioon) või võtab elektrone juurde (tekib negatiivne ioon ehk anioon).
- Ioniseerimine võib toimuda erinevalt: keemiliste reaktsioonide (näiteks tugeva happe ja aluse vahel), soojuse või elektrivälja toimel, fotoionisatsiooni (valguse mõjul) või elektronide väljaheitmisega vaakumis.
- Tavapärases keemias tekivad ioonid sageli läbi redoksreaktsioonide: üks aine oksüdeerub (kaotab elektrone) ja teine redutseerub (võtab elektrone vastu).
Ioonide tüübid ja tähistus
- Katioon — positiivselt laetud ioon (näiteks Na+, Ca2+). Katioon tekib elektronide kaotamisel.
- Anioon — negatiivselt laetud ioon (näiteks Cl−, SO42−). Anioon tekib elektronide vastuvõtmisel.
- Monoaatomilised ioonid — koosnevad ühest aatomist (nt K+, O2−).
- Polüatomilised ioonid — koosnevad mitmest aatomist, mis kannavad ühist laengut (nt NH4+, NO3−, SO42−).
Olulised füüsikalised ja keemilised omadused
- Ioonidel on elektriline väli, mistõttu nad reageerivad teiste laetud osakestega elektrostaatiliselt (vastasmärgid tõmbuvad, samamärgid tõukuvad).
- Ioonid mõjutavad aineid lahuses: nad solvateeruvad (näiteks veemolekulide poolt), mis määrab lahuse juhtivuse ja keemilised omadused.
- Iooniliste ühendite kristallvõred (nt NaCl) on tavaliselt tahked ja neil on kõrge sulamistemperatuur.
- Ioonide suurus (ioonraadius) erineb sageli vastava neutraalse aatomi suurusest: katioonid on tavaliselt väiksemad (elektronide kaotus), anioonid suuremad (elektronide lisandumine põhjustab tõrget ja suuremat raadiust).
Näited ja rakendused
- Igapäevaelus: Na+ ja Cl− lahustuvad vees ja annavad lauasoola lahusele elektrolüüdi omaduse.
- Bioloogias: ioonid nagu Na+, K+, Ca2+ ja Cl− osalevad närviimpulsside edastamises, lihaste kokkutõmbumises ja rakkude osmoregulatsioonis.
- Tehnoloogias: elektrokeemilised patareid ja akud põhinevad ioonide liikumisel elektroodide vahel; veepehmenduses ja keemilises tööstuses kontrollitakse ioonide sisaldust spetsiifiliste reaktsioonide kaudu.
- Spektroskoopia: üleminekumetallide ioonid annavad tihti värvilisi lahuseid — see tuleneb d-elektronide ergastusest ja sellele järgnevatest kiirgus- või neeldumisspektritest.
Täpsustus mõne eksitava väite kohta
Tegelikult ei "moodusta" ioniseerunud aatom alati kaks iooni: aatom, mis kaotab elektroni, muutub positiivseks iooniks ja vabanenud elektron jääb vabaks osakeseks, mida ei peeta iooniks. Kui aatom võtab elektron(i) juurde, muutub see negatiivseks iooniks. Seega ühe aatomi ioniseerimine annab tavaliselt kas katiooni või aniooni, mitte korraga mõlemat iooni.
Kokkuvõte
Ioonid on keemias ja füüsikas keskse tähtsusega osakesed, kuna nende laeng määrab paljude protsesside käiku — alates lahuste juhtivusest ja kristallide struktuurist kuni elusorganismide närvi- ning lihassüsteemide tööni. Ioonide käitumine on seletatav elementaarlaengute jagunemise, elektrostaatiliste jõudude ja keemiliste reaktsioonide kaudu.
Keemia
Füüsikas nimetatakse täielikult ioniseeritud aatomituumaid laetud osakesteks. Need on need alfakiirguses.
Ioniseerimine toimub aatomite suure energia andmisega. Selleks kasutatakse elektrilist pinget või suure energiaga ioniseerivat kiirgust või kõrget temperatuuri.
Lihtne ioon moodustub ühest aatomist.
Mitme aatomi ioonid moodustuvad mitmest aatomist. Mitmeaatomilised ioonid koosnevad tavaliselt kõikidest mittemetallide aatomitest. Kuid mõnikord võib polüatomaarses ioonis olla ka metallist aatom.
Positiivseid ioone nimetatakse katioonideks. Neid tõmbavad ligi katoodid (negatiivselt laetud elektroodid). (Katioon hääldatakse "cat eye on", mitte "kay shun".) Kõik lihtsad metalliioonid on katioonid.
Negatiivseid ioone nimetatakse anioonideks. Neid tõmbavad ligi anoodid (positiivselt laetud elektroodid). Kõik lihtsad mittemetallide ioonid (v.a H+, mis on prooton) on anioonid (v.a NH 4+).
Üleminekumetallid võivad moodustada rohkem kui ühe erineva laenguga lihtsa katiooni.
Enamiku ioonide laeng on väiksem kui 4, kuid mõnel võib olla suurem laeng.
Michael Faraday oli esimene inimene, kes kirjutas 1830. aastal teooria ioonide kohta. Oma teoorias ütles ta, millised on molekulide osad, mis liiguvad anioonideks või katioonideks. Svante August Arrhenius näitas, kuidas see toimus. Ta kirjutas selle oma doktoritöös 1884. aastal (Uppsala Ülikool). Ülikool ei võtnud tema teooriat esialgu vastu (ta oli alles äsja lõpetanud). Kuid 1903. aastal sai ta sama idee eest Nobeli keemiapreemia.
Kreeka keeles on ion nagu sõna "mine". "Anioon" ja "kation" tähendavad "üles-käija" ja "alla-käija". "Anood" ja "katood" tähendavad "ülespoole" ja "alla".
Ühised ioonid
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Seotud leheküljed
Küsimused ja vastused
K: Mis on ioon?
V: Ioon on elektriliselt laetud aatom või aatomite rühm. See võib olla valmistatud aatomist või aatomite rühmast (molekula).
K: Kuidas tekivad ioonid?
V: Ioonid tekivad protsessiga, mida nimetatakse ionisatsiooniks, mille käigus aatomis või molekulis tekib ebavõrdne arv prootoneid ja elektrone.
K: Milline on prootoni laeng?
V: Prootoni laeng on +1 (positiivselt laetud).
K: Milline on elektroni laeng?
V: Elektroni laeng on -1 (negatiivselt laetud).
K: Mis juhtub, kui ioonid liiguvad?
V: Kui ioonid liiguvad, tekitab see elektrit ja magnetvälja.
K: Kas kõik ioonid on värvitu?
V: Ei, mõned ioonid on värvilised, teised aga värvitud. Perioodilise tabeli põhirühmadesse kuuluvad elemendid moodustavad värvituid ioone, samas kui üleminekumetallid moodustavad tavaliselt värvilisi ioone.
Otsige