Ионы

До сих пор мы рассматривали только нейтральные атомы, в которых число электронов было равно атомному номеру, то есть заряду ядра.

В ходе химических реакций атомы могут отдавать электроны со своего внешнего слоя атомам других элементов или при­ни­мать на свой внешний слой электроны других атомов. От­да­вая или присоединяя электроны, атом приобретает заряд. Поэтому кроме нейтральных атомов существуют еще и «заряженные атомы», которые называются ионами.

Заряд может появиться не только у отдельного атома, но и у связанной ковалентными связями груп­пы атомов, но такие примеры сложных ионов мы обсудим в следующих парагра­фах.

Заряд иона записывается сверху после символа эле­мента, из которого образовался ион, при этом цифра «1» не записывается. Например, символ Ca²⁺ указывает на то, что атом кальция отдал два электрона и стал ионом с зарядом +2. Символ Cl^– указывает на то, что атом хлора присоединил один электрон и стал ионом с зарядом –1.

Примеры образования ионов

Рассмотрим, как образуются ионы из атомов натрия и хлора. Атомные номера натрия и хлора со­от­ветст­вен­но равны 11 и 17. Атом натрия во внешнем электронном слое имеет один элек­трон, а атом хлора – семь. Строение этих атомов можно предста­вить следующими схемами:

У атома натрия во внешнем слое только один электрон и семь «пу­стых мест». Для устойчивого внешнего электронного слоя (из восьми электронов) он должен или принять семь электро­нов, или от­дать один электрон. Разумеется, легче отдать электрон, чем при­нять семь.

Поэтому в химических реакциях атом натрия отдает один элек­трон и превращается в ион натрия. Внешним электрон­ным слоем становится предпоследний слой с восьмью элек­тро­на­ми.

В ионе натрия 10 электронов, а заряд ядра равен +11. Поэтому заряд иона натрия равен +1 (вспомним, что заряд электрона равен –1). Ион натрия обозначается Na⁺, и его можно изо­бра­зить следующей схемой:

Положительно заряженный ион называется катио­ном. В ка­тионе число электронов меньше заряда ядра. Положитель­ный заряд катиона равен количеству отданных элек­тронов.

Атому хлора, в отличие от натрия, проще присоединить один электрон, чем отдать семь. Поэтому в химических реакциях атом хлора, как правило, присоединяет электрон и превращается в ион хлора, или хлорид-ион. Поскольку заряд ядра хло­ра +17, а в хлорид-ионе 18 электронов, заряд иона равен –1. Хло­рид-ион обозначается Cl^–, и его можно изобразить следу­ю­­щей схемой:

Отрицательно заряженный ион называется анионом. В анио­не число электронов больше заряда ядра. Отрицатель­ный заряд аниона равен количеству присоединенных элек­тро­нов.

В зависимости от числа электронов во внешнем электронном слое, атомы некоторых элементов могут отдавать или присое­ди­нять больше одного электрона. Так, атом магния (группа IIА) отдает с внешнего электронного слоя два элек­трона, потому что атому легче отдать два электрона, чем при­сое­динить шесть. Таким образом, атом магния превра­ща­ется в ион магния Mg²⁺:

Ион магния обозначается Mg²⁺. Его заряд равен +2, потому что число электронов в ионе на две единицы меньше заряда яд­ра.

Образование ионов с зарядом +2 характерно и для боль­шин­ства других элементов IIА группы.

У всех рассмотренных нами ионов внешний электронный слой заполнен полностью и содержит электронный октет. Но надо помнить о том, что если внешним слоем является пер­вый элек­трон­ный слой, то мак­си­маль­ное число электронов в нем равно двум. Рассмотрим в качестве примера образование иона лития.

Ион лития имеет заряд +1, как и другие ионы элементов груп­пы IA. Атомам этих элементов для достижения внешнего слоя, сходного с внешним слоем благородного газа, нужно от­дать один электрон.

Как мы видели из предыдущих примеров, присоединяя или отдавая электроны, атомы стремятся образовать устойчивую, как у благородных газов, электронную оболочку с завершен­ным внешним слоем.

Атомы некоторых элементов (активных неметаллических элементов) прочно удерживают свои электроны и пытаются присоединить электроны атомов других элементов. Так обра­зу­ются анионы. Однако атомы других элементов (активных металлических элементов) довольно слабо удерживают элек­троны во внешнем электронном слое и могут легко их отда­вать, образуя катионы. Это похоже на игру с мячом, где более сильный отбирает мяч у более слабого.