Не так много людей хорошо разбираются в различных терминах, теориях и законах физики и химии. А некоторые, может быть, только приступают к изучению этих дисциплин. Поэтому определенные понятия могут быть неизвестными или забытыми. Например, слово "ион" знакомо очень многим людям, однако, давайте вспомним, что такое ион и какими свойствами он обладает.
Что представляет собой ион
Слово и понятие "ион" пришло к нам из древнегреческого языка и переводится как "идущее". Ион представляет собой заряженную частицу. Следовательно, ион может иметь как положительный, так и отрицательный заряд. Заряженной частицей может быть как атом, так и молекула или свободный радикал. Заряд при этом кратен заряду электрона.
В свободном состоянии ионы встречаются повсюду в любом агрегатном состоянии вещества. Их можно найти в газах, жидкостях, сплавах, кристаллах и плазме.
Если ион отрицательный, то его называют анионом, а положительный же заряд называют катионом. Эти названия были введены ученым Майклом Фарадеем, который открыл ионы.
Термин "ион" также был введен физиком и химиком Майклом Фарадеем в 1834 году, когда он изучал воздействие электрического тока на различные водные растворы. Именно тогда он сделал вывод, что электропроводность различных щелочных, кислотных и солевых растворов зависит от движения особых частиц, которые он назвал ионами и разделил на положительные и отрицательные по заряду.
Ионы имеют несколько основных физических свойств:
- Ионы являются активными веществами и взаимодействуют с атомами, молекулами, свободными радикалами и такими же ионами. Они участвуют во множестве различных реакций.
- В электрическом поле ионы переносят электричество к нужным электродам с противоположным зарядом.
- В живых организмах ионы играют также огромную роль, проводя нервные импульсы.
- Ионы могут выступать в качестве катализатора или промежуточных частиц в химических реакциях.
- Ионные реакции в электролитических растворах происходят мгновенно;
- Положительные ионы водорода являются в физике протонами. Протоны и нейтроны образуют все ядра атомов. Получить такой протон можно ионизацией атома водорода.
Вы также можете прочесть наш полезный раздел
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.
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.
Впервые термин "ион" был введен в 1834 году, в чем заслуга Майкла Фарадея. После изучения действия электрического тока на растворы солей, щелочей и кислот он пришел к выводу, что в них содержатся частицы, имеющие некий заряд. Катионами Фарадей назвал ионы, которые в электрическом поле двигались к катоду, имеющему отрицательный заряд. Анионы - отрицательно заряженные неэлементарные ионные частицы, которые в электрическом поле движутся к плюсу - аноду.
Данная терминология применяется и сейчас, а частицы изучаются далее, что позволяет рассматривать химическую реакцию как результат электростатического взаимодействия. Многие реакции протекают по этому принципу, что позволило понять их ход и подобрать катализаторы и ингибиторы для ускорения их протекания и для угнетения синтеза. Также стало известно, что многие вещества, особенно в растворах, всегда находятся в виде ионов.
Номенклатура и классификация ионов
Ионы - это заряженные атомы или группа атомов, которая в ходе химической реакции потеряла или приобрела электроны. Они составляют внешние слои атома и могут теряться из-за низкой силы притяжения ядра. Тогда результатом отсоединения электрона является положительный ион. Также если атом имеет сильный ядерный заряд и узкую электронную оболочку, ядро является акцептором дополнительных электронов. В результате этого образуется отрицательная ионная частица.
Сами ионы - это не только атомы с избыточной или недостаточной электронной оболочкой. Это может быть и группа атомов. В природе чаще всего существуют именно групповые ионы, которые присутствуют в растворах, биологических жидкостях тел организмов и в морской воде. Имеется огромное количество видов ионов, названия которых вполне традиционны. Катионы - это ионные частицы, заряженные положительно, а заряженные отрицательно ионы - это анионы. В зависимости от состава их называют по-разному. Например, катион натрия, катион цезия и другие. Анионы называются по-другому, так как чаще всего состоят из многих атомов: сульфат-анион, ортофосфат-анион и другие.
Механизм образования ионов
Химические элементы в составе соединений редко являются электрически нейтральными. То есть они почти никогда не находятся в состоянии атомов. В образовании ковалентной связи, которая считается самой распространенной, атомы также имеют некий заряд, а электронная плотность смещается вдоль связей внутри молекулы. Однако заряд иона здесь не формируется, потому как энергия ковалентной связи меньше, нежели энергия ионизации. Потому, несмотря на различную электроотрицательность, одни атомы не могут полностью притянуть электроны внешнего слоя других.
В ионных реакциях, где разница электроотрицательности между атомами достаточно большая, один атом может забирать электроны внешнего слоя у другого атома. Тогда созданная связь сильно поляризуется и разрывается. Затраченная на это энергия, которая создает заряд иона, называется энергией ионизации. Для каждого атома она различная и указывается в стандартных таблицах.
Ионизация возможна только в том случае, когда атом или группа атомов способен либо отдавать электроны, либо акцептировать их. Чаще всего это наблюдается в растворе и кристаллах солей. В кристаллической решетке также присутствуют почти неподвижные заряженные частицы, лишенные кинетической энергии. А поскольку в кристалле нет возможности для передвижения, то реакция ионов протекают чаще всего в растворах.
Ионы в физике и химии
Физики и химики активно изучают ионы по нескольким причинам. Во-первых, эти частицы присутствуют во всех известных агрегатных состояниях вещества. Во-вторых, энергию отрыва электронов от атома можно измерить, чтобы использовать это в практической деятельности. В-третьих, в кристаллах и растворах ионы ведут себя по-разному. И, в-четвертых, ионы позволяют проводить электрический ток, а физико-химические свойства растворов меняются в зависимости от концентраций ионов.
Ионные реакции в растворе
Сами растворы и кристаллы следует рассмотреть детальнее. В кристаллах солей существуют отдельно расположенные положительные ионы, к примеру, катионы натрия и отрицательные, анионы хлора. Структура кристалла удивительна: за счет сил электростатического притяжения и отталкивания ионы ориентируются особым образом. В случае с хлоридом натрия они образуют так называемую алмазную кристаллическую решетку. Здесь каждый натриевый катион окружен 6 хлоридными анионами. В свою очередь, каждый хлоридный анион окружает 6 анионов хлора. Из-за этого простая поваренная соль и в холодной и горячей воде растворяется почти с одинаковой скоростью.
В растворе тоже не существует цельной молекулы хлорида натрия. Каждый из ионов здесь окружается диполями воды и хаотично передвигается в ее толще. Наличие зарядов и электростатических взаимодействий приводит к тому, что солевые растворы воды замерзают при температуре чуть меньше нуля, а кипят при температуре выше 100 градусов. Более того, если в растворе присутствуют другие вещества, способные вступить в химическую связь, то реакция протекает не с участием молекул, а ионов. Это создало учение о стадийности химической реакции.
Те продукты, которые получаются в конце, не образуются сразу в ходе взаимодействия, а постепенно синтезируются из промежуточных продуктов. Изучение ионов позволило понять, что реакция протекает как раз по принципам электростатических взаимодействий. Их результатом является синтез ионов, которые электростатически взаимодействуют с другими ионами, создавая конечный равновесный продукт реакции.
Резюме
Такая частица, как ион, это электрически заряженный атом или группа атомов, которая получается в ходе потери или приобретения электронов. Самым простым ионом является водородный: если он теряет один электрон, то представляет собой лишь ядро с зарядом +1. Он обуславливает кислую среду растворов и сред, что важно для функционирования биологических систем и организмов.
Ионы могут иметь как положительные, так и отрицательные заряды. За счет этого в растворах каждая частица вступает в электростатическое взаимодействие с диполями воды, что также создает условия для жизни и передачи сигналов клетками. Более того, в ионные технологии развиваются дальше. К примеру, созданы ионные двигатели, которыми оснащалось уже 7 космических миссий NASA.
