תוֹכֶן
מרבית האטומים והמולקולות שאנו פוגשים הם ניטרלים חשמלית, אך יונים ממלאים תפקיד חשוב בטבע. אטומים טעונים אלו יכולים להיות קטיונים טעונים חיוביים או אניונים טעונים שלילית. קטיונים ואנונים נוצרים בדרכים שונות. עבור קטיונים, אובדן האלקטרון משאיר להם מטען חיובי נטו, ואילו עבור אניונים, תוספת האלקטרון משאירה להם מטען שלילי נטו. הבנת התהליכים העומדים מאחורי זה, כולל אנרגיית היינון והזיקה האלקטרונית של אטומים שונים, עוזרת לך לראות מדוע אטומים מסוימים הופכים ליונים יותר קלים מאחרים ומה גורם לזה לקרות.
TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)
קטיונים הם יוני טעונים חיובית שנוצרים כאשר אטום מאבד אלקטרון באמצעות יינון. כמות האנרגיה הנדרשת לשם כך נקראת אנרגיית היינון
אניונים הם יוני טעונים שלילית הנוצרים כאשר אטום משיג אלקטרון. האנרגיה בתהליך זה נקראת זיקת האלקטרונים.
מהו יון?
לאטומים שלושה מרכיבים עיקריים: פרוטונים, אלקטרונים ונויטרונים. נויטרונים הם ניטרליים חשמלית, ולמרות שהם ממלאים תפקיד חשוב בפיזיקה גרעינית, הם אינם רלוונטיים להיווצרות יוני כיוון שהם אינם משפיעים על מטען האטום בו הם נמצאים. פרוטונים טעונים באופן חיובי והם תופסים הגרעין המרכזי של האטום יחד עם הנויטרונים. אלקטרונים הם החלק הטעון השלילי של האטום והם תופסים "ענן" סביב החלק החיצוני של הגרעין. אלקטרונים ופרוטונים יש מטענים שווים אך מנוגדים, ובצורות הטבעיות של היסודות, ישנם מספרים שווים של כל אחד באטום. משמעות הדבר היא שאלמנטים ניטרלים חשמלית מכיוון שהמטענים מהפרוטונים והאלקטרונים מבטלים זה את זה.
יון הוא אטום טעון.אם אטום משיג אלקטרון, המטען השלילי עולה על המטען החיובי, וכל האטום משיג מטען שלילי. יונים אלה נקראים אניונים. אם האטום מאבד אלקטרון, יש מטען חיובי יותר מטען שלילי, והאטום בכללותו הופך ליון טעון חיובי. זה נקרא קטיון.
כיצד נוצרים קטיונים?
קטיונים נוצרים כאשר אטום ניטרלי מאבד אלקטרון. מתכות מועדות לאיבוד אלקטרונים כתוצאה מסידור האלקטרונים סביב הגרעין. אלקטרונים תופסים אורביטלים שונים סביב הגרעין וניתן לקבץ אותם לרמות אנרגיה שונות. אלקטרון במסלול עם רמת אנרגיה גבוהה נמצא רחוק יותר מהגרעין. אטומים עם רמת אנרגיה חיצונית מלאה הם יציבים, אך אם ישנם מספר קטן של אלקטרונים ברמת האנרגיה החיצונית, הם מועדים לאבד אלקטרונים. האלקטרונים ברמות האנרגיה המלאות "מגן" על הרבה מטען חיובי מהגרעין. כתוצאה מכך האלקטרונים החיצוניים קשורים רק חלש לגרעין.
הקטיונים נוצרים על ידי תהליך היינון כאשר ניתנת אנרגיה מספקת לאלקטרון (לאור אנרגיה גבוהה מספיק, למשל) בכדי להפשיט אותו ממשיכת הגרעין. האנרגיה הנדרשת לשם כך נקראת אנרגיית היינון. אנרגיית היינון הראשונה מספרת לכם כמה אנרגיה אתם זקוקים בכדי להסיר אלקטרון אחד; אנרגיית היינון השנייה אומרת לך כמה נדרש כדי להסיר את השנייה, וכן הלאה.
אתה יכול לחשב את המטען על היון שהתקבל בהתבסס על קבוצת הטבלה המחזורית בה נמצא האלמנט. לדוגמא, נתרן נמצא בקבוצה 1, והוא יוצר קטיון עם מטען +1. המגנזיום נמצא בקבוצה 2 והוא יוצר קטיון עם מטען +2 לאחר שאיבד שני אלקטרונים ליינון. האלומיניום נמצא בקבוצה 3 ויוצר קטיון +3. אלמנטים בקבוצה 4 אינם יוצרים יוניונים, ואלמנטים בקבוצה גבוהה יותר יוצרים אניונים במקום.
איך נוצרים אניונים?
אניונים נוצרים בתהליך ההפוך לקטיונים. במקום לאבד אלקטרון, אטומים לא מתכתיים יכולים להשיג אלקטרון. הסיבה לכך היא שרמת האנרגיה החיצונית שלהם כמעט מלאה. המונח זיקה אלקטרונים מתאר את הנטייה לאטומים ניטרליים להשיג אלקטרונים. בדומה לאנרגיית היינון, יש לו יחידות אנרגיה, אך בניגוד לאנרגיית היינון, יש לה ערך שלילי מכיוון שאנרגיה משתחררת כשמוסיפים אלקטרונים, ואילו היא נקלטת כאשר מוסרים אלקטרונים.
באופן כללי, לאלמנטים בקבוצות גבוהות יותר (אלה שנמצאים מימין לשולחן המחזוריות) יש זיקה אלקטרונים גבוהה יותר, ולאלמנטים בשורה גבוהה יותר בקבוצות שלהם (בהמשך לראש הטבלה המחזורית) יש זיקה אלקטרונים גבוהה יותר. הירידה בזיקה האלקטרונית כשאתה נע בעמודה נתונה קשורה למרחק המוגבר בין הקליפות החיצוניות לגרעין, כמו גם למיגון מפני שאר האלקטרונים ברמות אנרגיה נמוכות יותר. העלייה בזיקה כשאתה עובר משמאל לימין נובע מכך שרמות האנרגיה מתקרבות להיות תפוסים לחלוטין.
באשר לקטיונים, קבוצת האלמנט אומרת לך איזה מטען יהיה האניון המקביל. החיוב שהתקבל הוא מספר הקבוצה מינוס שמונה. כלור, בקבוצה 7, יוצר אניון עם מטען -1, והחמצן, בקבוצה 6, יוצר קטיון עם מטען −2.