Ион

Понятие и термин «ион» ввёл в 1834 году Майкл Фарадей, который, изучая действие электрического тока на водные растворы кислот, щелочей и солей, предположил, что электропроводность таких растворов обусловлена движением ионов.

Положительно заряженные ионы, движущиеся в растворе к отрицательному полюсу (катоду), Фарадей назвал катионами, а отрицательно заряженные, движущиеся к положительному полюсу (аноду) — анионами.

Являясь химически активными частицами, ионы вступают в реакции с атомами, молекулами и между собой. В растворах электролитов ионы образуются в результате электролитической диссоциации и обуславливают многие их свойства.

Согласно химической номенклатуре, название катиона, состоящего из одного атома совпадает с названием элемента, например, Na⁺ называется ионом натрия, иногда добавляют в скобках степень окисления, например, название катиона Fe²⁺ — ион железа (II). Название аниона, состоящего из одного атома, образуется из корня латинского названия элемента и суффикса «-ид», например, F^- называется фторид-ионом[2].

Ионы подразделяют на две большие группы — простые и сложные.

Простые (одноатомные) ионы содержат одно атомное ядро.

Сложные (многоатомные) ионы содержат не менее двух атомных ядер.

Отдельно выделяют ион-радикалы — заряженные свободные радикалы. Ион-радикалы в свою очередь подразделяют на катион-радикалы и анион-радикалы.

Катион-радикалы — положительно заряженные частицы с одним неспаренным электроном.

Анион-радикалы — отрицательно заряженные частицы с одним неспаренным электроном[3]

Простые ионы состоят из одного атомного ядра и электронов. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, неся практически всю (более 99,9 %) массу иона и создаёт электрическое поле, которое удерживают электроны. Заряд атомного ядра определяется числом протонов, и совпадает с порядковым номером элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева.

Электроны заполняют электронные слои вокруг атомного ядра. Электроны с одинаковым значением главного квантового числа n образуют квантовый слой близких по размерам электронных облаков. Слои с n = 1,2,3,4… обозначаются соответственно буквами K, L, M, N… По мере удаления от атомного ядра ёмкость слоёв увеличивается и в зависимости от значения n составляет 2 (слой K), 8 (слой L), 16 (слой M), 32 (слой N)… электронов.

Исключением из общего правила является положительный ион водорода, который не содержит электронов и является элементарной частицей — протоном. В то же время отрицательный ион водорода содержит два электрона. Фактически гидрид-ион является системой из одного протона и двух электронов и изоэлектронен положительному иону лития, имеющему в электронной оболочке также два электрона.

Вследствие волнового характера движения электрона ион не имеет строго определённых границ. Поэтому точно определить размеры ионов невозможно. Кажущийся радиус иона зависит от того, какое физическое свойство рассматривается, и будет различным для разных свойств. Обычно используют такие ионные радиусы, чтобы сумма двух радиусов равнялась равновесному расстоянию между соседними ионами в кристалле. Такая полуэмпирическая таблица ионных радиусов была составлена Л. Полингом.[4]

Позднее была составлена новая система ионных радиусов на основе кристаллохимических исследований Г. Б. Бокия структур простейших бинарных соединений.[5]

Атомы и молекулы могут превращаться в положительно заряженные ионы в результате потери одного или нескольких электронов. Отрыв электрона от атома или молекулы требует затраты энергии, называемой энергией ионизации.

Положительно заряженные ионы также образуются при присоединении протона (положительно заряженного ядра атома водорода). Примером является молекулярный ион водорода, ион аммония, ониевые соединения.

Отрицательно заряженные ионы образуются в результате присоединения электрона к атому или молекуле. Присоединение электрона сопровождается выделением энергии.

Положительный ион водорода (H⁺ или протон, p) получается при ионизации атома водорода. Энергия ионизации в данном процессе имеет значение 13,595 эВ.

Для атома гелия энергия ионизации составляет 24,581 эВ и 54,403 эВ и соответствует отрыву первого и второго электронов. Получаемый ион гелия (He²⁺) в физике имеет название альфа-частица. Выброс альфа-частиц наблюдается при радиоактивном распаде некоторых атомных ядер, например ₈₈Ra²²⁶.

Энергия отрыва первого электрона атома имеет явно выраженный периодический характер зависимости от порядкового номера элемента.

В связи с низкими значениями энергии ионизации щелочных металлов, их атомы легко теряют свои внешние электроны под действием света. Отрыв электрона производится в данном случае за счёт энергии поглощаемых металлом квантов света.

• Большая советская энциклопедия