Formarea ionilor

Un atom neutru are tot atâția electroni (sarcină negativă) câți protoni (sarcină pozitivă) are în nucleu. Dacă atomul pierde sau primește electroni, nu mai este neutru și devine ion. Un atom care pierde electroni devine cation, cu sarcină pozitivă; unul care primește electroni devine anion, cu sarcină negativă. Protonii din nucleu nu se schimbă, deci elementul rămâne același: sodiul rămâne sodiu și în ionul $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$.

De ce se formează ionii? Atomii tind să ajungă la ultimul strat complet, cu 8 electroni (sau 2, la primul strat), ca gazele nobile. Metalele din grupele 1, 2 și 13 au puțini electroni pe ultimul strat și îi pierd. Nemetalele din grupele 15, 16 și 17 au aproape complet ultimul strat și primesc electroni.

Exemplu în pași, clorul ($Z=17$):

1. Atomul de clor are 17 protoni și 17 electroni, repartizați $2,8,7$.
2. Îi lipsește un electron ca să aibă 8 pe ultimul strat, deci primește un electron.
3. Acum are 17 protoni și 18 electroni, repartizați $2,8,8$, ca argonul.
4. Sarcina totală este $17-18=-1$, deci se formează anionul clorură, $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$.

Sarcina ionului se poate deduce din grupă: elementele din grupele 1, 2 și 13 formează cationi cu sarcina $+1$, $+2$ și $+3$, iar cele din grupele 15, 16 și 17 formează anioni cu sarcina $-3$, $-2$ și $-1$. Calciul ($Z=20$, repartiția $2,8,8,2$) este în grupa 2: pierde cei doi electroni de pe ultimul strat și devine $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ ($2,8,8$). Ionii sunt prezenți în viața de zi cu zi: apa de mare conține ioni de sodiu și de clorură, iar oasele conțin ioni de calciu.

Alte exemple: sodiul ($2,8,1$) pierde un electron și devine $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ ($2,8$); magneziul ($2,8,2$) pierde doi electroni și devine $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ ($2,8$); oxigenul ($2,6$) primește doi electroni și devine ${\mathrm{O}}^{2-}$ ($2,8$). Sarcina se scrie sus, în dreapta simbolului: numărul, apoi semnul.

Ionii de semn opus se atrag și formează compuși a căror sarcină totală este zero. Un ion $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ se asociază cu doi ioni $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, de aceea formula este $\mathrm{MgC}{\mathrm{l}}_2$.

Ioni monoatomici și poliatomici. Ionii monoatomici provin dintr-un singur atom: $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$, $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$, $\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$, $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, ${\mathrm{S}}^{2-}$. Ionii poliatomici sunt grupe de atomi legați covalent, care au împreună o sarcină: amoniu $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}$, hidroxid $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$, azotat $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}$, sulfat $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}$, carbonat $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3^{2-}$ și fosfat $\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4^{3-}$. Fierul și cuprul formează fiecare mai mulți ioni: fierul dă $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$ și $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}$, cuprul dă $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{+}$ și $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$.

Denumire. Cationul poartă numele elementului (ion de sodiu, ion de calciu). Anionul monoatomic are terminația „-ură” (clorură, sulfură), iar anionul oxigenului se numește oxid; anionii poliatomici au nume proprii, ca în lista de mai sus.

Exemplu 1, formula unui compus. Aluminiul formează $\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$, iar oxigenul ${\mathrm{O}}^{2-}$. Căutăm cel mai mic multiplu comun al sarcinilor $3$ și $2$, adică $6$. Doi ioni $\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$ dau $+6$, iar trei ioni ${\mathrm{O}}^{2-}$ dau $-6$. Rezultă $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$. Verificare: $2\cdot (+3)+3\cdot (-2)=0$. Cu aceeași metodă, din $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ și $\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4^{3-}$ se obține $\mathrm{C}{\mathrm{a}}_3(\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4{)}_2$, iar parantezele păstrează gruparea fosfat.

Exemplu 2, particulele dintr-un ion. Numărul de masă $A$ este suma protonilor și neutronilor. Pentru ${}_{13}^{27}\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$:

1. Protoni: $Z=13$.
2. Neutroni: $A-Z=27-13=14$.
3. Electroni: atomul neutru are $13$; ionul a pierdut $3$, deci are $13-3=10$.

Pentru ${}_{17}^{35}\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ avem $17$ protoni, $35-17=18$ neutroni și $17+1=18$ electroni. Pierderea sau câștigul de electroni nu modifică niciodată numărul protonilor și al neutronilor.

Exemplu 3, transferul de electroni. Magneziul arde în clor: $\mathrm{Mg}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2\to \mathrm{MgC}{\mathrm{l}}_2$. Procesul se descrie prin două transformări, una pentru fiecare reactant:

1. Magneziul cedează doi electroni: $\mathrm{Mg}\to \mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$.
2. O moleculă de clor primește doi electroni, câte unul fiecare atom: $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}\to 2C{\mathrm{l}}^{-}$.
3. Numărul electronilor cedați este egal cu numărul electronilor primiți ($2=2$), deci reacția este echilibrată și se formează un ion $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ la doi ioni $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$.

Ioni izoelectronici. Ionii și atomii cu același număr de electroni se numesc izoelectronici. Cu $10$ electroni, ca neonul, sunt ${\mathrm{O}}^{2-}$, ${\mathrm{F}}^{-}$, $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$, $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ și $\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$. Cu $18$ electroni, ca argonul, sunt ${\mathrm{S}}^{2-}$, $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, ${\mathrm{K}}^{+}$ și $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$. Din acest motiv, ionii $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{3+}$ sau $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{2+}$ nu se formează în reacțiile chimice: ar trebui să rupă un strat complet, ceea ce cere prea multă energie.

Cum se verifică prezența ionilor. O substanță formată din ioni conduce curentul electric numai când ionii se pot mișca, adică în soluție sau topită. Apa distilată nu conduce curentul, iar apa în care s-a dizolvat sare de bucătărie îl conduce, fiindcă soluția conține ioni $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ și $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ liberi. Zahărul se dizolvă în apă, dar soluția lui nu conduce curentul, deoarece zahărul nu este format din ioni.

Atom și ion. Proprietățile sunt diferite. Sodiul metalic reacționează violent cu apa, iar ionul $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ din sarea de bucătărie și din apa de mare este stabil. Clorul gazos este toxic, iar ionul $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ este prezent în organismul nostru, în sucul gastric și în ser.

Formula unui compus ionic se stabilește din condiția de neutralitate electrică: suma sarcinilor pozitive este egală cu suma sarcinilor negative. Sarcina unui ion poliatomic se aplică întregii grupe, iar indicele exterior înmulțește toți atomii din paranteză.

Exemplu în stilul complementului grupat. Se dau patru afirmații despre ionul ${\mathrm{S}}^{2-}$ ($Z=16$):

1. are $18$ electroni;
2. are $16$ protoni;
3. este izoelectronic cu atomul de argon;
4. aparține grupei 18 a tabelului periodic.

Variantele de răspuns:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Rezolvare: sulful are $16$ protoni și, prin primirea a doi electroni, ajunge la $18$ electroni, ca argonul; deci 1, 2 și 3 sunt adevărate. Elementul sulf rămâne în grupa 16, deoarece grupa se stabilește din atomul neutru, deci 4 este falsă. Sunt adevărate 1, 2 și 3. Răspuns: A.

Exemplu numeric. Se cere numărul de electroni din $0,10$ mol $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$.

1. Un ion $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ are $12-2=10$ electroni.
2. $0,10$ mol de ioni conțin $0,10\cdot 10=1,0$ mol de electroni.
3. Numărul de electroni este $1,0\cdot 6,022\cdot 10^{23}=6,022\cdot 10^{23}$.

Același raționament se aplică la un compus: în $0,2$ mol $\mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{O}$ există $0,4$ mol $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ și $0,2$ mol ${\mathrm{O}}^{2-}$, în total $0,4\cdot 10+0,2\cdot 10=6$ mol de electroni.

Exemplu cu ioni poliatomici. Ionul $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}$ are $7+4\cdot 1=11$ protoni și $11-1=10$ electroni. Ionul $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}$ are $7+3\cdot 8=31$ protoni și $31+1=32$ electroni. În ambele cazuri se numără protonii din toți atomii ionului, apoi se corectează numărul de electroni cu sarcina.

Greșeli frecvente

• Greșit: $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ are cu doi protoni mai puțin decât atomul de magneziu.
  Corect: are același nucleu și cu doi electroni mai puțin.
• Greșit: Ionii $\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$ și ${\mathrm{O}}^{2-}$ formează $\mathrm{AlO}$.
  Corect: neutralitatea sarcinilor cere $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$.
• Greșit: Un atom devine cation prin primirea de protoni.
  Corect: protonii rămân în nucleu; cationul se formează prin pierderea de electroni.
• Greșit: Anionul clorură este un atom de clor care a pierdut un electron.
  Corect: anionul $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ a primit un electron și are $18$ electroni, față de $17$ ai atomului.

Înainte și după