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:

  1. neutronid (ilma laenguta),
  2. võrdne arv laetud prootoneid ja
  3. 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.