Termin "jon" je prvi put uveden 1834. godine, a zaslužan je Michael Faraday. Nakon proučavanja uticaja električne struje na rastvore soli, alkalija i kiselina, došao je do zaključka da one sadrže čestice koje imaju određeni naboj. Faraday je katione nazvao jonima koji su se u električnom polju kretali do katode, koja ima negativan naboj. Anioni - negativno nabijene neelementarne jonske čestice, koje se u električnom polju kreću prema plus - anodi.
Ova terminologija se i danas koristi, a čestice se dalje proučavaju, što nam omogućava da smatramo da je hemijska reakcija rezultat elektrostatičke interakcije. Mnoge reakcije se odvijaju po ovom principu, što je omogućilo razumijevanje njihovog toka i odabir katalizatora i inhibitora koji će ubrzati njihov tok i inhibirati sintezu. Takođe je postalo poznato da su mnoge supstance, posebno u rastvorima, uvek u obliku jona.
Nomenklatura i klasifikacija jona
Joni su nabijeni atomi ili grupa atoma koja u toku hemijska reakcija izgubljeni ili stečeni elektroni. Oni čine vanjske slojeve atoma i mogu se izgubiti zbog niske privlačne sile jezgra. Tada je rezultat odvajanja elektrona pozitivan ion. Također, ako atom ima jak nuklearni naboj i usku elektronsku ljusku, jezgro je akceptor dodatnih elektrona. Kao rezultat, formira se negativna ionska čestica.
Ioni sami po sebi nisu samo atomi sa viškom ili nedostatkom elektronske ljuske. To može biti i grupa atoma. U prirodi najčešće postoje grupni joni koji su prisutni u rastvorima, biološkim tečnostima tela organizama i u morska voda. Postoji ogroman broj vrsta jona, čija su imena prilično tradicionalna. Kationi su pozitivno nabijene ionske čestice, a negativno nabijeni ioni su anioni. U zavisnosti od sastava, nazivaju se različito. Na primjer, natrijum kation, cezijev kation i drugi. Anioni se nazivaju drugačije, jer se najčešće sastoje od mnogo atoma: sulfatni anion, ortofosfatni anion i drugi.
Mehanizam formiranja jona
Hemijski elementi u jedinjenjima rijetko su električno neutralni. To jest, oni gotovo nikada nisu u stanju atoma. U formiranju kovalentne veze, koja se smatra najčešćom, atomi također imaju određeni naboj, a gustoća elektrona se pomjera duž veza unutar molekula. Međutim, ovdje se ne formira naboj jona, jer je energija kovalentne veze manja od energije jonizacije. Stoga, unatoč različitoj elektronegativnosti, neki atomi ne mogu u potpunosti privući elektrone vanjskog sloja drugih.
U ionskim reakcijama, gdje je razlika u elektronegativnosti između atoma dovoljno velika, jedan atom može uzeti elektrone iz vanjskog sloja od drugog atoma. Tada je stvorena veza snažno polarizirana i prekinuta. Energija koja se na to troši, a koja stvara naboj jona, naziva se energija ionizacije. Za svaki atom je različit i naznačen je u standardnim tabelama.
Ionizacija je moguća samo kada je atom ili grupa atoma sposobna ili donirati elektrone ili ih prihvatiti. To se najčešće opaža u kristalima rastvora i soli. Kristalna rešetka također sadrži gotovo nepokretne nabijene čestice, lišene kinetičke energije. A kako u kristalu nema mogućnosti kretanja, reakcije jona se najčešće odvijaju u rastvorima.
Joni u fizici i hemiji
Fizičari i hemičari aktivno proučavaju jone iz nekoliko razloga. Prvo, ove čestice su prisutne u svim poznatim agregatnim stanjima materije. Drugo, energija odvajanja elektrona od atoma može se izmjeriti kako bi se to iskoristilo u praktične aktivnosti. Treće, joni se različito ponašaju u kristalima i rastvorima. I, četvrto, ioni omogućavaju provođenje električne struje, a fizičko-hemijska svojstva otopina mijenjaju se ovisno o koncentraciji iona.
Jonske reakcije u otopini
Same otopine i kristale treba detaljnije razmotriti. U kristalima soli odvojeno se nalaze pozitivni ioni, na primjer, natrijevi kationi i negativni, kloridni anioni. Struktura kristala je nevjerovatna: zbog sila elektrostatičkog privlačenja i odbijanja, joni su orijentirani na poseban način. U slučaju natrijum hlorida, oni formiraju takozvanu dijamantsku kristalnu rešetku. Ovdje je svaki kation natrijuma okružen sa 6 hloridnih anjona. Zauzvrat, svaki hloridni anion okružuje 6 hloridnih anjona. Zbog toga se jednostavna kuhinjska sol gotovo jednakom brzinom otapa u hladnoj i vrućoj vodi.
U rastvoru takođe nema cele molekule natrijum hlorida. Svaki od jona je okružen vodenim dipolima i nasumično se kreće u svojoj debljini. Prisutnost naboja i elektrostatičkih interakcija dovodi do činjenice da se slane vodene otopine smrzavaju na temperaturi nešto nižoj od nule, a ključaju na temperaturi iznad 100 stupnjeva. Štoviše, ako su u otopini prisutne druge tvari koje mogu ući u kemijsku vezu, tada se reakcija odvija ne uz sudjelovanje molekula, već iona. Ovo je stvorilo doktrinu inscenacije hemijske reakcije.
Oni proizvodi koji se dobiju na kraju ne nastaju odmah tokom interakcije, već se postepeno sintetiziraju iz međuproizvoda. Proučavanje jona omogućilo je razumijevanje da se reakcija odvija upravo prema principima elektrostatičkih interakcija. Njihov rezultat je sinteza iona koji elektrostatički stupaju u interakciju s drugim ionima, stvarajući konačni ravnotežni proizvod reakcije.
Sažetak
Takva čestica kao što je jon je električno nabijeni atom ili grupa atoma, koja nastaje gubitkom ili akvizicijom elektrona. Najjednostavniji ion je vodonik: ako izgubi jedan elektron, onda je to samo jezgro s nabojem od +1. Prouzrokuje kiselu sredinu rastvora i medija, što je važno za funkcionisanje bioloških sistema i organizama.
Joni mogu imati i pozitivne i negativne naboje. Zbog toga u rastvorima svaka čestica ulazi u elektrostatičku interakciju sa vodenim dipolima, što takođe stvara uslove za život i prenos signala ćelijama. Štaviše, jonske tehnologije se dalje razvijaju. Na primjer, stvoreni su jonski motori koji su već opremljeni sa 7 NASA svemirskih misija.
Uradite kod kuće (ili u školskom krugu) takvo iskustvo. Uzmite električnu bateriju i spojite je žicama na sijalicu od baterijske lampe. Struja će teći kroz sijalicu, ona će se upaliti. Zatim odrežite jednu žicu i umočite njene krajeve u čašu vode. Sijalica neće upaliti, što znači da nema struje. Sada sipajte običnu so u čašu. Kada se sol otopi, sijalica će ponovo zasvijetliti. Dakle, čim se voda pretvorila u rastvor soli, kroz nju je prošla struja. I zašto?
Verovatno ste već čuli (a ako niste, pročitajte priču "" u ovoj knjizi) da se u atomu okreću oko jezgra. A zašto ostaju u atomu i ne odlete?
Uzmite kamen i zavrtite ga na užetu iznad glave. Osećate da kamen uvek pokušava da odleti, a uže ga drži.
A atom ima svoj "konop". Ovo su električna naboja. Jezgro atoma je pozitivno nabijeno, elektroni su negativno nabijeni. Takvi različiti naboji, kako ih zovu, privlače jedni druge. Ova privlačnost drži elektrone blizu jezgra.
Ali ako snažno odmotate kamen na tankom užetu, on će se otkačiti i odletjeti. I elektron može otpasti. Na primjer, s oštrim sudarom atoma. To je kao grozd: protresite ga i bobica će pasti.
Ali šta će se dogoditi sa samim atomom? Kada se elektron otkine, atom postaje pozitivno nabijen.
Otpušteni elektron može sresti drugi atom na putu i "zalijepiti" se za njega. Tada će ovaj atom postati negativno nabijen.
Ovi nabijeni atomi nazivaju se joni.
Ne samo pojedinačni atomi, već i grupe atoma mogu izgubiti ili dobiti elektrone. Istovremeno se pretvaraju i u jone, a sama transformacija se naziva jonizacija.
Ako se gas jako zagreje, njegovi atomi će se kretati velikom brzinom i mnogi elektroni će se otkinuti tokom sudara. Gas će postati jonizovan.
Djelovanjem radioaktivnog zračenja ioniziraju se razne tvari. A na visini od stotine kilometara iznad Zemlje, joni nastaju pod djelovanjem posebnih sunčevih zraka. Ovaj sloj atmosfere naziva se jonosfera.
Mnoge čvrste materije se takođe sastoje od jona. Na primjer, sol. Kada se rastvori u vodi, joni se razmiču. Čim su se ove nabijene čestice pojavile u vodi, počele su prenositi električnu energiju s jednog kraja žice na drugi, a otopina je počela propuštati električnu struju.
Kretanje jona je osnova za rad mnogih uređaja i uređaja koje je stvorio čovjek, na primjer, ili električne baterije. A u prirodi joni igraju važnu ulogu. Postoji mnogo različitih jona koji se kreću u svakoj ćeliji vašeg tijela. Odete na skijanje ili napišete diktat - to su joni na djelu. A sada čitate našu knjigu i joni se kreću u vašim moždanim ćelijama. Da nije njih, ne biste mogli razmišljati, proučavati, čitati, ne biste znali šta su joni.
I on je električno nabijena čestica. U tom slučaju ion može imati i pozitivan električni naboj i negativan. U prvom slučaju se zove kation, au drugom anjon.
Jon može biti atom, molekul ili slobodni radikal, sve dok imaju bilo kakav naboj, naravno. Inače, naboj jona ne može biti beskonačno mali, a čestica kojom je predstavljen je elementarna.
Joni su također kemijski aktivne čestice, tako da mogu reagirati i s drugim česticama (nenabijenim) i međusobno.
Joni, kao nezavisne čestice, nalaze se skoro svuda. Oni su u atmosferi, u raznim tečnostima, u čvrstim materijama, pa čak i u međuzvjezdanom prostoru, gdje je u principu izuzetno malo zraka ili neke vrste tvari.
Priča
Po prvi put koncept "jona" uveo je poznati naučnik Michael Faraday 1834. godine. Proučavajući širenje elektriciteta u različitim medijima, sugerirao je da električna provodljivost nekih od njih može biti uzrokovana prisustvom određenih električno nabijenih čestica u tim medijima i tvarima. Zato ih je nazvao jonima. Naučnik je takođe uveo koncepte katjona i anjona. Budući da se pozitivni ioni kreću prema negativno nabijenoj elektrodi, katodi, nazvao ih je kationima. Negativni ioni se kreću obrnuto - prema anodi, što znači da ih treba zvati anionima.
IONI(od grč. - ide), jednoatomne ili poliatomske čestice koje nose električnu energiju. naplatiti, npr. H + , Li + , Al 3+ , NH 4 + , F- , SO 4 2 - . Pozitivni ioni se nazivaju kationi (od grč. kation, doslovno - silazeći), negativni - i n i dalje i m i (od grčkog. anion, doslovno idu gore). U besplatnom stanje postoji u gasnoj fazi (plazmi). Pozitivni joni u gasnoj fazi mogu se dobiti kao rezultat odvajanja jednog ili više. elektrona iz neutralnih čestica uz snažno zagrijavanje plina, djelovanje električnog. pražnjenje, jonizujuće zračenje itd. Apsorbuje se u formiranju jednog punjenja. Energija jona se naziva prvi jonizacioni potencijal (ili prva energija ionizacije), da bi se od jednostruko naelektrisanog dobio dvostruko nabijeni ion, troši se druga energija jonizacije itd. Negativno. joni se formiraju u gasnoj fazi kada su vezani za slobodne čestice. elektroni i neutralni atomi ne mogu vezati više od jednog elektrona; negativan višestruko nabijeni jednoatomni joni ne postoje u pojedinačnom stanju. Energija koja se oslobađa kada je elektron vezan za neutralnu česticu naziva se. afinitet prema elektronu. U gasnoj fazi, joni mogu vezati neutralne molekule i formirati ionsko-molekularne komplekse. Vidi i joni u gasovima. U kondenzatoru faze jona su u ionskom kristalnom stanju. rešetke i jonske taline; u otopinama elektrolita nalazi se solvater. joni nastali kao rezultat elektrolize. disocijacija rastvorenog in-va. U kondenzatoru fazi, joni intenzivno interaguju (vezani) sa česticama koje ih okružuju - jonima suprotnog predznaka u kristalima i u topinama, sa neutralnim molekulima - u rastvorima. Intermod. javlja se prema Kulonovom, ion-dipolnom, donor-akceptorskom mehanizmu. U otopinama oko jona, solvatne ljuske se formiraju od molekula otopljenih tvari povezanih s ionima (vidi Hidracija, Solvatacija). Koncept jona u kristalima je zgodan idealizator. model, jer čisto jonska veza se nikada ne javlja, na primjer, u kristalnoj. NaCl, efektivni naboji atoma Na i Cl su jednaki, respektivno. približno +0,9 i -0,9. St-va jona u kondenzatoru. faze se značajno razlikuju od St. u istim ionima u gasnoj fazi. U otopinama se nalaze negativni dvostruko nabijeni jednoatomni joni. U kondenzatoru faza postoji mnogo razl. poliatomski ioni - anioni koji sadrže kisik to-t, na primjer. NE 3- , SO 4 2 - , kompleksni joni, na primjer. 3+ , 2 - , klaster joni 2+ itd. (vidi Klasteri), polielektrolitni joni, itd. U rastvoru, joni mogu formirati jonske parove. Termodinamički karakteristike - D H 0 arr, S 0 , D G 0 arr pojedinačnih jona su tačno poznati samo za jone u gasnoj fazi. Za ione u p-raxu kada eksperiment. definicija uvijek dobije zbir termodinamičkih vrijednosti. karakteristike za kation i anion. Mogući teoretski. termodinamički proračun. vrijednosti pojedinih jona, ali je njegova točnost još uvijek manja od tačnosti eksperimenata. određivanje ukupnih vrijednosti, dakle, za praktične. svrhe koriste uslovne termodinamičke skale. karakteristike pojedinih jona u p-re, i obično uzimaju vrijednost termodinamičke. karakteristike H + jednake nuli. Main strukturne karakteristike jona u kondenzatoru. faza -radijus i koordinacija. broj. Predloženo je mnogo različitih stvari. skale radijusa jednoatomnih jona. Često se koriste tzv. fizički radijusi jona koje je pronašao K. Shannon (1969) iz eksperimenta. podaci o tačkama minimalne elektronske gustine u kristalima. Koordinacija broj jednoatomnih jona u glavnom. leži unutar 4-8. I oni učestvuju u velikom broju okruga. Često su katalizatori, interm. čestice u hem. p-cije, na primjer, u heterolitičkim reakcijama. Izmjena jonskih p-cija u otopinama elektrolita obično se odvija gotovo trenutno. U električnoj joni polja prenose električnu energiju: kationi - do negativnih. elektroda (katoda), anjoni - na pozitivu (anoda); u isto vrijeme dolazi do prijenosa materije, koja igra važnu ulogu u
