Катионы и анионы
Катионы и анионы — это типы ионов, то есть атомы, которые приобрели или потеряли электроны через химические связи.
Атом, имеющий одинаковое количество протонов (положительный заряд) и электронов (отрицательный заряд), считается электрически нейтральным. Когда этот атом принимает или передает электроны, он называется ионом, который, в свою очередь, может быть:
- Катион: атом, который потерял (или прогнулся) электроны и поэтому заряжен положительно.
- Ânion: атом, который получил (или принял) электроны и, следовательно, заряжен отрицательно.
катион
Катион — это атом, который имеет положительный заряд, потому что в нем больше протонов, чем электронов.
Урок №7. Атомы и молекулы. Ионы
2500 лет назад древнегреческий философ Демокрит высказал мысль о том, что все тела в природе состоят из мельчайших невидимых, непроницаемых, неделимых, вечно движущихся частиц – атомов.
Слово “атом” в переводе означает “неделимый”.
В средние века, учение об атомах преследовалось религией, которая тормозила развитие науки в целом, и химии в частности.
В середине 18 века великим русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711 – 1765 гг.) было разработано учение о молекулах и атомах. Он утверждал, что тела в природе состоят из корпускул (молекул), в состав которых входят элементы (атомы). Многообразие веществ ученый прозорливо объяснял соединением разных атомов в молекулах и различным расположением атомов в них. Удивительно верной и смелой для того времени была мысль М. В. Ломоносова о том, что некоторые корпускулы (молекулы) могут состоять из одинаковых элементов (атомов).
Учение об атомах получило дальнейшее развитие в трудах известного английского ученого Джона Дальтона (1766 – 1844 гг.).
Экспериментальным доказательством того, что молекулы состоят из атомов, является реакция разложения воды под действием электрического тока.
При пропускании постоянного тока через воду в одной из трубок аппарата Гофмана (рис. 1) собирается газ, в котором тлеющая лучинка ярко вспыхивает. Это кислород. В другой трубке собирается вдвое больше газа, который от зажженной лучинки загорается. Это водород.
Аппарат Гофмана — используется для электролиза воды, изобрёл немецкий химик-органик Август Вильгельм Гофман .
Молекула воды (Н 2 О) состоит из 2 атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 2). При пропускании постоянного тока через воду ее молекулы распадаются и образуются химически неделимые частицы – атомы кислорода и водорода. Затем атомы соединяются по два, и из двух молекул воды образуется одна – двухатомная молекула кислорода (О 2 ) и две двухатомные молекулы водорода (Н 2 ).
Рис. 1. Аппарат Гофмана
Рис. 2. Схема разложения воды электрическим током
Атомы и ионы
Атомы, взаимодействуя друг с другом, могут терять или, наоборот, приобретать один или более электронов.
В результате электрически нейтральный атом превращается в заряженную частицу — ион.
Если атом теряет один или несколько электронов, его называют положительно заряженным ионом.
Атом, дополнительно присоединивший один или несколько электронов, называют отрицательно заряженным ионом.
Противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу.
А 0 — ne — =A n+
А 0 – нейтрально заряженный атом
A n+ – положительно заряженный ион – катион
А 0 + ne — =A n-
А 0 – нейтрально заряженный атом
A n- – отрицательно заряженный ион – анион
Ион — это атом или группа атомов, обладающих положительным или отрицательным зарядом.
Протоны, нейтроны, электроны
Некоторые представления об атомах и молекулах, высказанные М. В. Ломоносовым за полвека до Д. Дальтона, оказались более достоверными и научными.
Например, английский ученый категорически отрицал возможность существования молекул, состоящих из одинаковых атомов. Его взгляды отрицательно сказались на развитии химии.
Учение о молекулах и атомах окончательно было принято только в 1860 г. на Всемирном съезде химиков в Карлсруэ.
Молекулы – мельчайшие частицы вещества, состав которых и химические свойства такие же, как у данного вещества. Молекулы – предельный результат механического дробления вещества.
Атомы – это мельчайшие химически неделимые частицы, из которых состоят молекулы. Молекулы, в отличие от атомов, являются химически делимыми частицами.
В конце XIX—начале XX в. было обнаружено, что атомы состоят из более мелких частиц, названных «элементарными частицами».
В центре любого атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого движутся отрицательно заряженные частицы — электроны ( е — ). Заряд электрона принято считать равным (-1).
Ядро атома, в свою очередь, также состоит из элементарных частиц. В состав ядер атомов входят положительно заряженные частицы — протоны ( + р ) и частицы, имеющие почти такую же массу, как протоны, но не имеющие заряда, — нейтроны ( 0 n ). Заряд протона численно равен заряду электрона, но имеет противоположный знак (+1).
Например, атом углерода (рис. 3) состоит из ядра, в котором находятся 6 протонов, 6 нейтронов, а также 6 электронов:
Строение атомов
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Строение атомов»
До определённого момента считалось, что атом — неделимая частица. Однако, это не так: в атоме есть ядро, вокруг которого вращаются электроны. Это было открыто в начале двадцатого века в совместных работах Нильса Бора и Эрнеста Резерфорда, которые внесли большой вклад в изучение физико-химических процессов на микроскопическом уровне.
На прошлом уроке мы уже узнали, что электрон имеет отрицательный заряд, но, несмотря на это, все молекулы не имеют заряда. Дело в том, что суммарный отрицательный заряд всех электронов уравновешивается положительным зарядом ядра. Заряд ядра является одной из главных характеристик того или иного химического элемента. Частицы ядра атома, имеющие положительный заряд, называются протонами. Заряд каждого протона численно равен заряду электрона, но имеет противоположный знак:
Однако, масса протона значительно больше:
Помимо протонов, в ядре атома существуют другие частицы, которые не имеют электрического заряда, но по размеру и массе мало отличаются от протонов. Такие частицы назвали нейтронами.
Итак, в центре атома находится ядро, которое состоит из протонов и нейтронов, а вокруг ядра вращаются электроны.
Однако, существует одно исключение: у водорода нет нейтронов в ядре, поскольку всё ядро водорода состоит из одного протона, вокруг которого вращается один электрон. У гелия, например, ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов, а вокруг вращается два электрона. Вообще из периодической системы химических элементов Менделеева можно узнать число протонов в ядре любого элемента, поскольку порядковый номер элемента совпадает с этим числом. При нормальных условиях, атом содержит то же число электронов. Например, у азота 7 протонов, а у хлора — 17.
Мы можем предположить, что возможно каким-то образом отнять электрон у нейтрального атома или присоединить электрон к нейтральному атому. Действительно, это предположение верно, и такие процессы часто происходят. Электроны одних атомов могут переходить к другим атомам. Атомы с неравным количеством протонов и электронов называются ионами.
Если атом потерял один или несколько электронов, то он будет иметь положительный заряд и называться положительным ионом.
Если же атом, напротив, приобрел один или несколько лишних электронов, то он будет иметь отрицательный заряд и называться отрицательным ионом.
Для закрепления материала выполним несколько простых упражнений.
Задача 1. Известно, что атом кислорода электрически нейтрален, а в его ядре находится 16 частиц. Сколько в атоме кислорода протонов, нейтронов и электронов?
В таблице Менделеева кислород имеет порядковый номер 8. Значит, в нём 8 протонов. Поскольку атом электрически нейтрален, в нём должно быть 8 электронов, чтобы уравновесить заряд ядра. Нам дано, что в ядре 16 частиц. Т.к. 8 из них являются протонами, оставшиеся 8 — это нейтроны. Значит, в атоме кислорода 8 нейтронов и 8 протонов, которые формируют ядро, а вокруг этого ядра вращаются 8 электронов.
Задача 2. Как называется атом кальция, который потерял 2 электрона? Каков заряд этого атома?
Для ответа на этот вопрос нам не нужна таблица Менделеева. Т.к. атом изначально нейтрален, то при потере электронов, он становится положительным ионом. Сколько бы ни было протонов в ядре, заряд каждого из них уравновешивается отрицательным зарядом электрона, за исключением двух, поскольку в атоме не хватает двух электронов. Поэтому заряд данного иона будет равен суммарному заряду двух протонов.
Задача 3. Атом содержит 6 нейтронов и электрически нейтрален. Можно ли найти число протонов и электронов?
Нет, потому что число протонов не всегда совпадает с числом нейтронов. Можно лишь сказать, что число протонов в этом атоме равно числу электронов, поскольку в противном случае, это был бы ион. Шесть нейтронов содержится в нормальном атоме углерода, но, 6 нейтронов могут находиться в некоторой разновидности атома гелия. Такие разновидности называются изотопами и часто являются радиоактивными. Подобные явления будут изучены подробнее в старших классах.
Какая разница между электроном и ионом?
Электрон — это элементарная частица, самая легкая из всех заряженных частиц. Имеет отрицательный заряд, который обычно принимают за единицу (так как заряд любых свободных частиц кратен заряду электрона).
Ион — это атом, имеющий один или несколько лишних или наоборот — недостающих электронов. В предельном случае ион вообще не имеет ни одного электрона и представляет собой голое ядро атома. Заряд иона в свободном состоянии может быть от положительного заряда, равного заряду ядра (тот самый случай с голым ядром) до отрицательного в один, очень редко два электрона (последние в свободном виде весьма короткоживущие). У щелочных металлов и инертных газов отрицательных ионов не бывает. Бывают также молекулярные ионы, представляющие собой связанную систему атомов, имеющую заряд.
С ионами в растворах, в кристаллической решетке дело обстоит сложнее. В них заряд как в ту, так и в другую стороны ограничен несколькими единицами, но этот заряд формальный: при больших степенях окисления связь из ионной приближается к ковалентной и эффективный заряд намного меньше. Так в хлориде натрия эффективный заряд натрия и хлора составляет +/-0,9, а ион кислорода в оксидах несмотря на свою формальную двухвалентность имеет заряд около единицы. Дробность зарядов в твердых телах связана с тем, что электроны внешних оболочек не локализованы на одном конкретном атоме и способны перескакивать с атома на атом, поэтому заряд определяется соотношениями электронной плотности в окрестностях того или иного иона.