Ion

Un ion es un átomo o molécula con una carga eléctrica neta.

La carga de un electrón se considera negativa por convención y esta carga es igual y opuesta a la carga de un protón, que se considera positiva por convención. La carga neta de un ion no es cero porque su número total de electrones no es igual a su número total de protones.

Un catión es un ion cargado positivamente con menos electrones que protones, mientras que un anión es un ion cargado negativamente con más electrones que protones. Las cargas eléctricas opuestas son atraídas entre sí por la fuerza electrostática, por lo que los cationes y los aniones se atraen entre sí y forman fácilmente compuestos iónicos.

Los iones que consisten en un solo átomo se denominan iones atómicos o monoatómicos, mientras que dos o más átomos forman iones moleculares o iones poliatómicos. En el caso de la ionización física en un fluido (gas o líquido), los "pares de iones" se crean por colisiones espontáneas de moléculas, donde cada par generado consta de un electrón libre y un ion positivo. Los iones también se crean mediante interacciones químicas, como la disolución de una sal en líquidos, o por otros medios, como pasar una corriente continua a través de una solución conductora, disolviendo un ánodo mediante ionización.

Historia del descubrimiento

La palabra ion se acuñó del griego ion, participio presente neutro de ienai (griego ἰέναι) "ir" de la raíz PIE *ei- "ir", cf. un catión es algo que se mueve hacia abajo (del griego kato κάτω kat-ion) y un anión es algo que se mueve hacia arriba (del griego ano ἄνω, an-ion). Llamado así porque los iones se mueven hacia el electrodo de carga opuesta. Este término fue introducido (después de una sugerencia del erudito inglés William Whewell) por el físico y químico inglés Michael Faraday en 1834 para la especie entonces desconocida que va de un electrodo al otro a través de un medio acuoso.Faraday no conocía la naturaleza de estas especies, pero sabía que dado que los metales se disuelven y entran en una solución en un electrodo y sale metal nuevo de una solución en el otro electrodo; que algún tipo de sustancia se ha movido a través de la solución en una corriente. Esto transporta la materia de un lugar a otro. En correspondencia con Faraday, Whewell también acuñó las palabras ánodo y cátodo, así como anión y catión como iones que son atraídos por los respectivos electrodos.

Svante Arrhenius expuso, en su disertación de 1884, la explicación del hecho de que las sales cristalinas sólidas se disocian en partículas cargadas emparejadas cuando se disuelven, por lo que ganaría el Premio Nobel de Química de 1903. La explicación de Arrhenius fue que al formar una solución, la sal se disocia en iones de Faraday, propuso que los iones se formaban incluso en ausencia de corriente eléctrica.

Características

Los iones en su estado gaseoso son altamente reactivos e interactuarán rápidamente con iones de carga opuesta para dar moléculas neutras o sales iónicas. Los iones también se producen en estado líquido o sólido cuando las sales interactúan con solventes (por ejemplo, agua) para producir iones solvatados, que son más estables, por razones que involucran una combinación de cambios de energía y entropía a medida que los iones se alejan unos de otros para interactuar con el líquido. Estas especies estabilizadas se encuentran más comúnmente en el ambiente a bajas temperaturas. Un ejemplo común son los iones presentes en el agua de mar, que se derivan de sales disueltas.

Como objetos cargados, los iones son atraídos por cargas eléctricas opuestas (positivas a negativas y viceversa) y repelidos por cargas similares. Cuando se mueven, sus trayectorias pueden ser desviadas por un campo magnético.

Los electrones, debido a su masa más pequeña y, por lo tanto, a sus propiedades de llenado de espacio más grandes como ondas de materia, determinan el tamaño de los átomos y las moléculas que poseen electrones. Por lo tanto, los aniones (iones cargados negativamente) son más grandes que la molécula o el átomo principal, ya que los electrones en exceso se repelen entre sí y se suman al tamaño físico del ion, porque su tamaño está determinado por su nube de electrones. Los cationes son más pequeños que el átomo o molécula principal correspondiente debido al tamaño más pequeño de la nube de electrones. Un catión en particular (el del hidrógeno) no contiene electrones y, por lo tanto, consta de un solo protón, mucho más pequeño que el átomo de hidrógeno original.

Aniones y cationes

Dado que la carga eléctrica de un protón es igual en magnitud a la carga de un electrón, la carga eléctrica neta de un ion es igual al número de protones en el ion menos el número de electrones.

Unanión (-) (/ ˈ æ n ˌ aɪ. ən / ANN -eye-ən, de la palabra griega ἄνω ( ánō), que significa "arriba") es un ion con más electrones que protones, lo que le otorga una carga neta negativa (ya que los electrones tienen carga negativa y los protones tienen carga positiva).

UNcatión (+) (/ ˈ k æ t ˌ aɪ. ən / KAT -eye-ən, de la palabra griega κάτω ( káto), que significa "abajo") es un ion con menos electrones que protones, lo que le da una carga positiva.

Hay nombres adicionales usados ​​para iones con cargas múltiples. Por ejemplo, un ion con una carga de -2 se conoce como dianión y un ion con una carga de +2 se conoce como dicación. Un zwitterión es una molécula neutra con cargas positivas y negativas en diferentes lugares dentro de esa molécula.

Los cationes y aniones se miden por su radio iónico y difieren en tamaño relativo: "Los cationes son pequeños, la mayoría de ellos de menos de 10 m (10 cm) de radio. Pero la mayoría de los aniones son grandes, como es el anión terrestre más común, el oxígeno.. A partir de este hecho, es evidente que la mayor parte del espacio de un cristal está ocupado por el anión y que los cationes encajan en los espacios entre ellos".

Los términos anión y catión (para iones que viajan respectivamente al ánodo y al cátodo durante la electrólisis) fueron introducidos por Michael Faraday en 1834 luego de su consulta con William Whewell.

Acontecimientos naturales

Los iones son ubicuos en la naturaleza y son responsables de diversos fenómenos, desde la luminiscencia del Sol hasta la existencia de la ionosfera de la Tierra. Los átomos en su estado iónico pueden tener un color diferente al de los átomos neutros y, por lo tanto, la absorción de luz por los iones metálicos da el color de las piedras preciosas. Tanto en química inorgánica como orgánica (incluida la bioquímica), la interacción del agua y los iones es extremadamente importante; un ejemplo es la energía que impulsa la descomposición del trifosfato de adenosina (ATP). Las siguientes secciones describen contextos en los que los iones ocupan un lugar destacado; estos están ordenados en escala física de longitud decreciente, desde lo astronómico hasta lo microscópico.

Tecnología relacionada

Los iones se pueden preparar de manera no química usando varias fuentes de iones, generalmente con alto voltaje o temperatura. Estos se utilizan en una multitud de dispositivos como espectrómetros de masas, espectrómetros de emisión óptica, aceleradores de partículas, implantadores de iones y motores de iones.

Como partículas cargadas reactivas, también se utilizan en la purificación del aire al alterar los microbios y en artículos para el hogar, como detectores de humo.

Dado que la señalización y el metabolismo en los organismos están controlados por un gradiente iónico preciso a través de las membranas, la interrupción de este gradiente contribuye a la muerte celular. Este es un mecanismo común explotado por biocidas naturales y artificiales, incluidos los canales iónicos gramicidina y anfotericina (un fungicida).

Los iones disueltos inorgánicos son un componente de los sólidos disueltos totales, un indicador ampliamente conocido de la calidad del agua.

Detección de radiación ionizante

El efecto ionizante de la radiación sobre un gas se usa ampliamente para la detección de radiación como los rayos alfa, beta, gamma y X. El evento de ionización original en estos instrumentos da como resultado la formación de un "par de iones"; un ion positivo y un electrón libre, por impacto iónico por la radiación sobre las moléculas de gas. La cámara de ionización es el más simple de estos detectores y recoge todas las cargas creadas por la ionización directa dentro del gas mediante la aplicación de un campo eléctrico.

El tubo Geiger-Müller y el contador proporcional utilizan un fenómeno conocido como avalancha de Townsend para multiplicar el efecto del evento ionizante original por medio de un efecto de cascada en el que los electrones libres reciben suficiente energía del campo eléctrico para liberar más electrones por impacto de iones

Química

Indicando el estado cargado

Al escribir la fórmula química de un ion, su carga neta se escribe en superíndice inmediatamente después de la estructura química de la molécula/átomo. La carga neta se escribe con la magnitud antes del signo; es decir, un catión doblemente cargado se indica como 2+ en lugar de +2. Sin embargo, la magnitud de la carga se omite para moléculas/átomos cargados individualmente; por ejemplo, el catión de sodio se indica como Na y no como Na.

Una forma alternativa (y aceptable) de mostrar una molécula/átomo con cargas múltiples es dibujar los signos varias veces, esto se ve a menudo con los metales de transición. Los químicos a veces rodean el letrero; esto es meramente ornamental y no altera el significado químico. Las tres representaciones de Fe
, Fe y Femostrados en la figura, son por lo tanto equivalentes.

Los iones monoatómicos a veces también se indican con números romanos, particularmente en espectroscopia; por ejemplo, la fe
El ejemplo visto arriba se conoce como Fe(II) o Fe. El número romano designa el estado de oxidación formal de un elemento, mientras que los números indoárabes en superíndice denotan la carga neta. Las dos notaciones son, por lo tanto, intercambiables por iones monoatómicos, pero los números romanos no se pueden aplicar a iones poliatómicos. Sin embargo, es posible mezclar las notaciones para el centro metálico individual con un complejo poliatómico, como se muestra en el ejemplo del ion uranilo.

Subclases

Si un ion contiene electrones desapareados, se le llama ion radical. Al igual que los radicales libres, los iones radicales son muy reactivos. Los iones poliatómicos que contienen oxígeno, como el carbonato y el sulfato, se denominan oxianiones. Los iones moleculares que contienen al menos un enlace carbono-hidrógeno se denominan iones orgánicos. Si la carga de un ion orgánico está formalmente centrada en un carbono, se denomina carbocatión (si tiene carga positiva) o carbanión (si tiene carga negativa).

Formación

Formación de iones monoatómicos

Los iones monoatómicos se forman por la ganancia o pérdida de electrones en la capa de valencia (la capa de electrones más externa) en un átomo. Las capas internas de un átomo están llenas de electrones que están estrechamente unidos al núcleo atómico cargado positivamente, por lo que no participan en este tipo de interacción química. El proceso de ganar o perder electrones de un átomo o molécula neutra se llama ionización.

Los átomos pueden ionizarse por bombardeo con radiación, pero el proceso de ionización más común que se encuentra en química es la transferencia de electrones entre átomos o moléculas. Esta transferencia suele estar impulsada por la consecución de configuraciones electrónicas estables ("carcasa cerrada"). Los átomos ganarán o perderán electrones dependiendo de qué acción requiere menos energía.

Por ejemplo, un átomo de sodio, Na, tiene un solo electrón en su capa de valencia, que rodea 2 capas internas llenas y estables de 2 y 8 electrones. Dado que estas capas llenas son muy estables, un átomo de sodio tiende a perder su electrón adicional y alcanza esta configuración estable, convirtiéndose en un catión de sodio en el proceso.Na → Na
+
mi

Por otro lado, un átomo de cloro, Cl, tiene 7 electrones en su capa de valencia, que es uno menos que la capa llena estable con 8 electrones. Por lo tanto, un átomo de cloro tiende a ganar un electrón extra y alcanzar una configuración estable de 8 electrones, convirtiéndose en un anión de cloruro en el proceso:cl +
mi
→ Cl

Esta fuerza impulsora es lo que hace que el sodio y el cloro experimenten una reacción química, en la que el electrón "extra" se transfiere del sodio al cloro, formando cationes de sodio y aniones de cloruro. Al tener cargas opuestas, estos cationes y aniones forman enlaces iónicos y se combinan para formar cloruro de sodio, NaCl, más conocido como sal de mesa.N / A
+ Cl
→ NaCl

Formación de iones poliatómicos y moleculares

Los iones poliatómicos y moleculares a menudo se forman por la ganancia o pérdida de iones elementales como un protón, H
, en moléculas neutras. Por ejemplo, cuando el amoníaco, NH
₃, acepta un protón, H
—un proceso llamado protonación— forma el ion amonio, NH
₄. El amoníaco y el amonio tienen el mismo número de electrones en esencialmente la misma configuración electrónica, pero el amonio tiene un protón extra que le da una carga neta positiva.

El amoníaco también puede perder un electrón para ganar una carga positiva, formando el ion NH
₃. Sin embargo, este ion es inestable porque tiene una capa de valencia incompleta alrededor del átomo de nitrógeno, lo que lo convierte en un ion radical muy reactivo.

Debido a la inestabilidad de los iones radicales, los iones poliatómicos y moleculares generalmente se forman al ganar o perder iones elementales como H
, en lugar de ganar o perder electrones. Esto permite que la molécula conserve su configuración electrónica estable mientras adquiere una carga eléctrica.

Potencial de ionización

La energía requerida para separar un electrón en su estado de energía más bajo de un átomo o molécula de un gas con menos carga eléctrica neta se denomina potencial de ionización o energía de ionización. La n -ésima energía de ionización de un átomo es la energía requerida para separar su n -ésimo electrón después de que los primeros n-1 electrones ya se hayan separado.

Cada energía de ionización sucesiva es notablemente mayor que la anterior. Aumentos particularmente grandes ocurren después de que cualquier bloque dado de orbitales atómicos se agota de electrones. Por esta razón, los iones tienden a formarse en formas que los dejan con bloques orbitales completos. Por ejemplo, el sodio tiene un electrón de valencia en su capa más externa, por lo que en forma ionizada se encuentra comúnmente con un electrón perdido, como Na
. En el otro lado de la tabla periódica, el cloro tiene siete electrones de valencia, por lo que en forma ionizada se encuentra comúnmente con un electrón ganado, como Cl
. El cesio tiene la energía de ionización medida más baja de todos los elementos y el helio tiene la mayor. En general, la energía de ionización de los metales es mucho menor que la energía de ionización de los no metales, por lo que, en general, los metales perderán electrones para formar iones cargados positivamente y los no metales ganarán electrones para formar iones cargados negativamente.

Enlace iónico

El enlace iónico es un tipo de enlace químico que surge de la atracción mutua de iones con carga opuesta. Los iones de carga similar se repelen y los iones de carga opuesta se atraen. Por lo tanto, los iones no suelen existir por sí solos, sino que se unirán con iones de carga opuesta para formar una red cristalina. El compuesto resultante se llama compuesto iónico, y se dice que se mantiene unido por enlace iónico. En los compuestos iónicos surgen distancias características entre iones vecinos de las que se puede derivar la extensión espacial y el radio iónico de iones individuales.

El tipo más común de enlace iónico se observa en compuestos de metales y no metales (excepto los gases nobles, que rara vez forman compuestos químicos). Los metales se caracterizan por tener una pequeña cantidad de electrones en exceso de una configuración electrónica estable de capa cerrada. Como tales, tienen la tendencia a perder estos electrones adicionales para lograr una configuración estable. Esta propiedad se conoce como electropositividad. Los no metales, por otro lado, se caracterizan por tener una configuración electrónica con solo unos pocos electrones por debajo de una configuración estable. Como tales, tienen la tendencia a ganar más electrones para lograr una configuración estable. Esta tendencia se conoce como electronegatividad.. Cuando un metal altamente electropositivo se combina con un no metal altamente electronegativo, los electrones adicionales de los átomos metálicos se transfieren a los átomos no metálicos deficientes en electrones. Esta reacción produce cationes metálicos y aniones no metálicos, que se atraen entre sí para formar una sal.