Niewiele osób jest dobrze zaznajomionych z różnymi terminami, teoriami i prawami fizyki i chemii. Niektórzy mogą dopiero rozpoczynać studiowanie tych dyscyplin. Dlatego niektóre pojęcia mogą być nieznane lub zapomniane. Na przykład słowo „jon” jest znane wielu osobom, jednak pamiętajmy, czym jest jon i jakie ma właściwości.
Co to jest jon
Słowo i pojęcie „ion” przyszło do nas ze starożytnego języka greckiego i jest tłumaczone jako „iść”. Jon jest cząstką naładowaną. Dlatego jon może mieć ładunek dodatni lub ujemny. Naładowaną cząstką może być atom, cząsteczka lub wolny rodnik. Ładunek jest wielokrotnością ładunku elektronu.
W stanie wolnym jony występują wszędzie, w dowolnym stanie materii. Można je znaleźć w gazach, cieczach, stopach, kryształach i plazmie.
Jeśli jon jest ujemny, nazywa się go anionem, a ładunek dodatni nazywa się kationem. Nazwy te wprowadził naukowiec Michael Faradaya, który odkrył jony.
Termin „jon” został również ukuty przez fizyka i chemika Michaela Faradaya w 1834 r., kiedy badał wpływ prądu elektrycznego na różne roztwory wodne. Wtedy doszedł do wniosku, że przewodność elektryczna różnych roztworów zasad, kwasów i soli zależy od ruchu specjalnych cząstek, które nazwał jonami i podzielił na ładunki dodatnie i ujemne.
Jony mają kilka podstawowych właściwości fizycznych:
- Jony są substancjami aktywnymi i oddziałują z atomami, cząsteczkami, wolnymi rodnikami i tymi samymi jonami. Biorą udział w wielu różnych reakcjach.
- W polu elektrycznym jony przenoszą prąd do pożądanych elektrod o przeciwnych ładunkach.
- W organizmach żywych jony odgrywają także ogromną rolę w przewodzeniu impulsów nerwowych.
- Jony mogą działać jako katalizatory lub półprodukty w reakcjach chemicznych.
- Reakcje jonowe w roztworach elektrolitów zachodzą natychmiast;
- Dodatnie jony wodoru są w fizyce protonami. Protony i neutrony tworzą wszystkie jądra atomowe. Taki proton można otrzymać poprzez jonizację atomu wodoru.
Możesz także przeczytać naszą przydatną sekcję
Prawie każdy widział reklamę tak zwanego „żyrandola Chiżewskiego”, który zwiększa liczbę jonów ujemnych w powietrzu. Jednak po szkole nie każdy dokładnie pamięta same jony - są to naładowane cząstki, które utraciły neutralność charakterystyczną dla normalnych atomów. A teraz trochę więcej szczegółów.
„Niewłaściwe” atomy
Jak wiadomo, liczba w układzie okresowym jest powiązana z liczbą protonów w jądrze atomu. Dlaczego nie elektrony? Ponieważ liczba i kompletność elektronów, choć wpływają na właściwości atomu, nie determinują jego podstawowych właściwości związanych z jądrem. Elektronów może być za mało lub może być ich za dużo. Jony to po prostu atomy z „niewłaściwą” liczbą elektronów. Co więcej, paradoksalnie, te z niedoborem elektronów nazywane są dodatnimi, a te z nadmiarem - ujemnymi.
Trochę o imionach
Jak powstają jony? To proste pytanie – są tylko dwie drogi edukacji. Albo chemicznie, albo fizycznie. Rezultatem może być jon dodatni, często nazywany kationem, i odpowiednio jon ujemny, anion. Pojedynczy atom lub cała cząsteczka, która jest również uważana za jon specjalnego typu wieloatomowego, może mieć niedobór lub nadmiar ładunku.
Jeśli zachodzi jonizacja ośrodka, na przykład gazu, wówczas występują w nim ilościowo proporcjonalne stosunki elektronów i jonów dodatnich. Ale takie zjawisko zdarza się rzadko (podczas burzy, w pobliżu płomienia); gaz w tak zmienionym stanie nie istnieje długo. Dlatego jony powietrza zdolne do reagowania blisko ziemi są na ogół rzadkie. Gaz to bardzo szybko zmieniające się środowisko. Gdy tylko działanie czynników jonizujących ustanie, jony spotykają się ze sobą i ponownie stają się atomami obojętnymi. To jest ich normalny stan.
Agresywna ciecz
Jony występują w dużych ilościach w wodzie. Faktem jest, że cząsteczki wody to cząstki, w których są one rozmieszczone nierównomiernie w całej cząsteczce, są dipolami, posiadającymi ładunek dodatni z jednej strony i ładunek ujemny z drugiej.
A kiedy w wodzie pojawia się rozpuszczalna substancja, cząsteczki wody swoimi biegunami działają elektrycznie na dodaną substancję, jonizując ją. Dobrym przykładem jest woda morska, w której wiele substancji występuje w postaci jonów. Ludzie wiedzieli o tym już od dawna. Powyżej pewnego punktu w atmosferze znajduje się dużo jonów; ta powłoka nazywa się jonosferą. niszczy stabilne atomy i cząsteczki. Cząstki w stanie zjonizowanym mogą przekazywać całą materię. Przykładem są jasne, niezwykłe kolory kamieni szlachetnych.
Jony są podstawą życia, gdyż podstawowy proces pozyskiwania energii z ATP nie jest możliwy bez powstania cząstek niestabilnych elektrycznie, sam w sobie opiera się na oddziaływaniach jonów, a wiele procesów chemicznych katalizowanych przez enzymy zachodzi wyłącznie poprzez jonizację. Nic dziwnego, że osoba w tym stanie przyjmuje niektóre substancje doustnie. Klasycznym przykładem są korzystne jony srebra.
Termin „jon” został po raz pierwszy ukuty w 1834 roku przez Michaela Faradaya. Po zbadaniu wpływu prądu elektrycznego na roztwory soli, zasad i kwasów doszedł do wniosku, że zawierają one cząstki o określonym ładunku. Faradaya nazwał kationy jonami, które w polu elektrycznym przemieszczały się w stronę katody, która ma ładunek ujemny. Aniony to ujemnie naładowane nieelementarne cząstki jonowe, które w polu elektrycznym poruszają się w kierunku plusa – anody.
Terminologia ta jest nadal stosowana, a cząstki są przedmiotem dalszych badań, co pozwala nam rozważyć reakcję chemiczną w wyniku oddziaływania elektrostatycznego. Wiele reakcji przebiega według tej zasady, co pozwoliło zrozumieć ich przebieg i dobrać katalizatory i inhibitory tak, aby przyspieszyć ich przebieg i zahamować syntezę. Dowiedziono również, że wiele substancji, zwłaszcza w roztworach, występuje zawsze w postaci jonów.
Nazewnictwo i klasyfikacja jonów
Jony to naładowane atomy lub grupa atomów, które utraciły lub zyskały elektrony podczas reakcji chemicznej. Tworzą zewnętrzne warstwy atomu i mogą zostać utracone z powodu niskiego przyciągania grawitacyjnego jądra. Wtedy efektem oderwania elektronu jest jon dodatni. Ponadto, jeśli atom ma silny ładunek jądrowy i wąską powłokę elektronową, jądro jest akceptorem dodatkowych elektronów. W rezultacie powstaje cząsteczka jonu ujemnego.
Same jony to nie tylko atomy z nadmiarem lub niedoborem powłoki elektronowej. Może to być również grupa atomów. W przyrodzie najczęściej występują jony grupowe, które występują w roztworach, płynach biologicznych organizmów oraz w wodzie morskiej. Istnieje ogromna liczba rodzajów jonów, których nazwy są dość tradycyjne. Kationy to cząstki jonowe, które są naładowane dodatnio, a jony naładowane ujemnie to aniony. Nazywa się je różnie w zależności od ich składu. Na przykład kation sodu, kation cezu i inne. Aniony mają inną nazwę, ponieważ najczęściej składają się z wielu atomów: anion siarczanowy, anion ortofosforanowy i inne.
Mechanizm powstawania jonów
Pierwiastki chemiczne w związkach rzadko są elektrycznie obojętne. Oznacza to, że prawie nigdy nie są w stanie atomów. Podczas tworzenia wiązania kowalencyjnego, które jest uważane za najczęstsze, atomy również mają pewien ładunek, a gęstość elektronów przesuwa się wzdłuż wiązań w cząsteczce. Jednak ładunek jonowy nie powstaje tutaj, ponieważ energia wiązania kowalencyjnego jest mniejsza niż energia jonizacji. Dlatego pomimo różnej elektroujemności niektóre atomy nie mogą całkowicie przyciągać elektronów zewnętrznej warstwy innych.
W reakcjach jonowych, gdzie różnica elektroujemności między atomami jest wystarczająco duża, jeden atom może pobrać elektrony z warstwy zewnętrznej od innego atomu. Powstałe połączenie zostaje wtedy silnie spolaryzowane i pęka. Energia wydatkowana na tę energię, która tworzy ładunek na jonach, nazywana jest energią jonizacji. Jest inny dla każdego atomu i jest wskazany w standardowych tabelach.
Jonizacja jest możliwa tylko wtedy, gdy atom lub grupa atomów jest w stanie albo oddać elektrony, albo je przyjąć. Najczęściej obserwuje się to w roztworach i kryształach soli. Sieć krystaliczna zawiera także prawie nieruchome, naładowane cząstki, pozbawione energii kinetycznej. A ponieważ w krysztale nie ma możliwości ruchu, reakcje jonów najczęściej zachodzą w roztworach.
Jony w fizyce i chemii
Fizycy i chemicy aktywnie badają jony z kilku powodów. Po pierwsze, cząstki te występują we wszystkich znanych stanach skupienia. Po drugie, można zmierzyć energię usuwania elektronów z atomu, aby wykorzystać ją w działaniach praktycznych. Po trzecie, jony zachowują się inaczej w kryształach i roztworach. I po czwarte, jony umożliwiają przewodzenie prądu elektrycznego, a właściwości fizykochemiczne roztworów zmieniają się w zależności od stężenia jonów.
Reakcje jonowe w roztworze
Roztwory i same kryształy należy rozważyć bardziej szczegółowo. W kryształach soli znajdują się oddzielnie jony dodatnie, na przykład kationy sodu i jony ujemne, aniony chloru. Struktura kryształu jest niesamowita: dzięki siłom przyciągania i odpychania elektrostatycznego jony są zorientowane w specjalny sposób. W przypadku chlorku sodu tworzą one tak zwaną sieć krystaliczną diamentu. Tutaj każdy kation sodu jest otoczony przez 6 anionów chlorkowych. Z kolei każdy anion chlorkowy jest otoczony przez 6 anionów chloru. Z tego powodu zwykła sól kuchenna rozpuszcza się zarówno w zimnej, jak i gorącej wodzie z prawie taką samą prędkością.
W roztworze nie ma również pojedynczej cząsteczki chlorku sodu. Każdy z jonów jest tutaj otoczony dipolami wody i porusza się chaotycznie w swojej grubości. Obecność ładunków i oddziaływań elektrostatycznych powoduje, że solankowe roztwory wody zamarzają w temperaturze tuż poniżej zera, a wrzą w temperaturze powyżej 100 stopni. Co więcej, jeśli w roztworze znajdują się inne substancje, które mogą wejść w wiązanie chemiczne, wówczas reakcja zachodzi nie przy udziale cząsteczek, ale jonów. W ten sposób powstała doktryna o etapach reakcji chemicznych.
Produkty otrzymane na końcu nie powstają natychmiast podczas interakcji, ale są stopniowo syntetyzowane z produktów pośrednich. Badanie jonów pozwoliło zrozumieć, że reakcja przebiega dokładnie według zasad oddziaływań elektrostatycznych. Ich efektem jest synteza jonów, które oddziałują elektrostatycznie z innymi jonami, tworząc końcowy produkt reakcji w równowadze.
Streszczenie
Cząstka taka jak jon to naładowany elektrycznie atom lub grupa atomów, która powstaje w wyniku utraty lub wzmocnienia elektronów. Najprostszym jonem jest jon wodorowy: jeśli straci jeden elektron, pozostaje tylko jądrem o ładunku +1. Powoduje powstawanie kwaśnego środowiska w roztworach i środowiskach, co jest istotne dla funkcjonowania układów i organizmów biologicznych.
Jony mogą mieć zarówno ładunki dodatnie, jak i ujemne. Dzięki temu w roztworach każda cząsteczka wchodzi w interakcję elektrostatyczną z dipolami wody, co stwarza także warunki do życia i przekazywania sygnału przez komórki. Ponadto technologia jonowa jest dalej rozwijana. Powstały na przykład silniki jonowe, które wyposażyły już 7 misji kosmicznych NASA.
