Ion

Partícula, átomo o molécula con un cambio eléctrico neto

Para otros usos, consulte Ion (desambiguación) .

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Un ion ( / aɪ ɒ n , - ən / ) ^[1] es una partícula , Atom o molécula o un compuesto con una red de carga eléctrica .

La carga del electrón se considera negativa por convención. La carga negativa de un ion es igual y opuesta a los protones cargados considerados positivos por convención. La carga neta de un ion es distinta de cero debido a que su número total de electrones es diferente al número total de protones .

Un catión es un ion cargado positivamente con menos electrones que protones, mientras que un anión está cargado negativamente con más electrones que protones, debido a sus cargas eléctricas opuestas; los cationes y los aniones se atraen entre sí y forman fácilmente compuestos iónicos .

Los iones que constan de 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 de moléculas espontáneas, donde cada par generado consta de un electrón libre y un ión positivo. ^[2] Los iones también se crean mediante interacciones químicas, como la disolución de una sal en líquidos, o por otros medios, como el paso de una corriente continua a través de una solución conductora, disolviendo un ánodo mediante ionización .

Historia del descubrimiento

La palabra ion proviene de la palabra griega ἰόν, ion , "yendo", el participio presente de ἰέναι, ienai , "ir". Este término fue introducido (después de una sugerencia del erudito inglés William Whewell ) ^[3] 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. ^{[4] [5]}Faraday no conocía la naturaleza de estas especies, pero sabía que dado que los metales se disolvieron y entraron en una solución en un electrodo y un nuevo metal surgió 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. ^[3]

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. ^[6] La explicación de Arrhenius fue que al formar una solución, la sal se disocia en los iones de Faraday, propuso que los iones se forman incluso en ausencia de una corriente eléctrica. ^{[7] [8] [9]}

Características

Los iones en su estado similar a un gas 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 los 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 entre sí para interactuar con el líquido. Estas especies estabilizadas se encuentran más comúnmente en el medio 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 moléculas que poseen electrones. Por lo tanto, los aniones (iones cargados negativamente) son más grandes que la molécula o átomo original, ya que el exceso de electrones se repele entre sí y aumenta el tamaño físico del ion, porque su tamaño está determinado por su nube de electrones . Los cationes son más pequeños que el átomo o la molécula parental 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

"Anion" vuelve a dirigir aquí. No debe confundirse con la cuasipartícula Anyon .

El átomo de hidrógeno (centro) contiene un solo protón y un solo electrón . La eliminación del electrón da un catión (izquierda), mientras que la adición de un electrón da un anión (derecha). El anión de hidrógeno, con su nube de dos electrones sueltos, tiene un radio más grande que el átomo neutro, que a su vez es mucho más grande que el protón desnudo del catión . El hidrógeno forma el único catión de carga + 1 que no tiene electrones, pero incluso los cationes que (a diferencia del hidrógeno) retienen uno o más electrones son aún más pequeños que los átomos o moléculas neutros de los que se derivan.

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 del ion menos el número de electrones.

Un anión (pronunciado "una IA ONU" (-) ( / æ n ˌ aɪ . ən / ), de la palabra griega ἄνω ( Ano ), que significa "arriba", ^[10] ) es un ion con más electrones que protones, dándole una carga neta negativa (ya que los electrones tienen carga negativa y los protones tienen carga positiva). ^[11]

A catión (pronunciado "kat ai ONU" (+) ( / k æ t ˌ aɪ . ən / ), de la palabra griega κάτω ( Káto ), que significa "abajo", ^[12] ) es un ion con menos electrones que protones , dándole una carga positiva. ^[13]

Hay nombres adicionales que se utilizan para los iones con múltiples cargas. Por ejemplo, un ion con una carga -2 se conoce como dianión y un ion con una carga +2 se conoce como dicación . Un zwiterión es una molécula neutra con cargas positivas y negativas en diferentes lugares dentro de esa molécula. ^[14]

Los cationes y aniones se miden por su radio iónico y difieren en tamaño relativo: "Los cationes son pequeños, la mayoría de ellos tienen menos de ^10-10 m ( ^10-8 cm) de radio. Pero la mayoría de los aniones son grandes, como es el caso más común. Anión terrestre, oxígeno . De este hecho se desprende que la mayor parte del espacio de un cristal está ocupado por el anión y que los cationes encajan en los espacios entre ellos ". ^[15]

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 .

Acontecimientos naturales

Más información: Lista de estados de oxidación de los elementos.

Los iones son de naturaleza ubicua ^{[ cita requerida ]} 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 tanto, la absorción de luz por los iones metálicos da el color de las piedras preciosas . Tanto en química orgánica como inorgánica (incluida la bioquímica), la interacción del agua y los iones es extremadamente importante ^{[ cita requerida ]} ; un ejemplo es la energía que impulsa la descomposición del trifosfato de adenosina ( ATP ) ^{[ aclaración necesaria ]}. Las siguientes secciones describen contextos en los que los iones ocupan un lugar destacado; estos están dispuestos en una escala de longitud física decreciente, desde lo astronómico hasta lo microscópico.

Tecnología relacionada

Los iones se pueden preparar de forma no química utilizando diversas fuentes de iones , que normalmente implican 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 domésticos como detectores de humo .

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

Detección de radiación ionizante

Esquema de una cámara de iones, que muestra la deriva de iones. Los electrones se desplazan más rápido que los iones positivos debido a su masa mucho más pequeña. ^[2]

Efecto avalancha entre dos electrodos. El evento de ionización original libera un electrón, y cada colisión subsiguiente libera un electrón adicional, por lo que dos electrones emergen de cada colisión: el electrón ionizante y el electrón liberado.

El efecto de ionización de la radiación en un gas se utiliza ampliamente para la detección de radiación tal como alfa , beta , gamma , y los rayos 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 de iones 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. ^[2]

El tubo de 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 mediante el cual los electrones libres reciben suficiente energía del campo eléctrico para liberar más electrones por impacto de iones.

Química

Denotando el estado cargado

Notaciones equivalentes para un átomo de hierro (Fe) que perdió dos electrones, lo que se conoce como ferroso .

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 con una sola carga; por ejemplo, el catión sodio se indica como Na ⁺ y no como Na ¹⁺ .

Una forma alternativa (y aceptable) de mostrar una molécula / átomo con cargas múltiples es dibujando 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 Fe²⁺
, Fe ⁺⁺ y Fe ^{⊕⊕ que se} muestran en la figura, son por tanto equivalentes.

Números romanos mixtos y notaciones de carga para el ion uranilo . El estado de oxidación del metal se muestra como números romanos en superíndice, mientras que la carga de todo el complejo se muestra mediante el símbolo del ángulo junto con la magnitud y el signo de la carga neta.

Los iones monoatómicos a veces también se indican con números romanos, particularmente en espectroscopía ; por ejemplo, la Fe²⁺
El ejemplo visto anteriormente se denomina Fe ( II ) o Fe ^II . 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 pueden aplicarse 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 llama ion radical . Al igual que los radicales no cargados, 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 de carbono a hidrógeno se denominan iones orgánicos . Si la carga en un ion orgánico está formalmente centrada en un carbono, se denomina carbocatión (si está cargado positivamente) o carbanión (si está cargado negativamente).

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 neutro se llama ionización .

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

Por ejemplo, un átomo de sodio , Na, tiene un solo electrón en su capa de valencia, rodeando 2 capas internas estables y llenas de 2 y 8 electrones. Dado que estas capas llenas son muy estables, un átomo de sodio tiende a perder su electrón extra y a alcanzar 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 estable y llena 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 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. Con carga opuesta, estos cationes y aniones forman enlaces iónicos y se combinan para formar cloruro de sodio , NaCl, más comúnmente conocido como sal de mesa.

N / A⁺
+ Cl^-
→ NaCl

Formación de iones poliatómicos y moleculares

Un mapa de potencial electrostático del ion nitrato ( NO^-
₃). El caparazón tridimensional representa un único isopotencial arbitrario .

Los iones poliatómicos y moleculares a menudo se forman al ganar o perder iones elementales como un protón, H⁺
, en moléculas neutras. Por ejemplo, cuando el amoniaco , NH
₃, acepta un protón, H⁺
- un proceso llamado protonación - forma el ion amonio , NH⁺
₄. El amoníaco y el amonio tienen la misma cantidad de electrones en esencialmente la misma configuración electrónica , pero el amonio tiene un protón adicional 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 ganando o perdiendo 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

Artículo principal: 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 llama potencial de ionización o energía de ionización . La n- ésima energía de ionización de un átomo es la energía necesaria para separar su n- ésimo electrón después de que los primeros n - 1 electrones ya se hayan desprendido.

Cada energía de ionización sucesiva es notablemente mayor que la anterior. Particularmente grandes aumentos ocurren después de que cualquier bloque dado de orbitales atómicos se agota de electrones. Por esta razón, los iones tienden a formarse de manera que los dejan con bloqueos 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. ^[16] En general, la energía de ionización de los metales es mucho menor que la energía de ionización de los no metales , razón por la cual, en general, los metales perderán electrones para formar iones con carga positiva y los no metales ganarán electrones para formar iones con carga negativa.

Unión iónica

Artículo principal: 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 entre sí y los iones de carga opuesta se atraen entre sí. Por lo tanto, los iones no suelen existir por sí mismos, 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 mediante enlaces iónicos . En los compuestos iónicos surgen distancias características entre los iones vecinos de las que se puede derivar la extensión espacial y el radio iónico de los 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 a solo unos pocos electrones menos que 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 del metal 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 .

Iones comunes

Cationes comunes [17] Nombre común Fórmula Nombre histórico Cationes simples Aluminio Al 3+ Bario Ba 2+ Berilio Ser 2+ Calcio Ca 2+ Cromo (III) Cr 3+ Cobre (I) Cu + cuproso Cobre (II) Cu 2+ cúprico Oro (yo) Au + áurico Oro (III) Au 3+ áurico Hidrógeno H + Hierro (II) Fe 2+ ferroso Hierro (III) Fe 3+ férrico Plomo (II) Pb 2+ plomizo Plomo (IV) Pb 4+ plúmbico Litio Li + Magnesio Mg 2+ Manganeso (II) Mn 2+ manganoso Manganeso (III) Mn 3+ mangánico Manganeso (IV) Mn 4+ Mercurio (II) Hg 2+ mercurio Potasio K + kálico Plata Ag + argentous Sodio Na + nátrico Estroncio Sr 2+ Estaño (II) Sn 2+ estannoso Estaño (IV) Sn 4+ estánico Zinc Zn 2+ Cationes poliatómicos Amonio NUEVA HAMPSHIRE+ 4 Hidronio H 3 O + Mercurio (I) Hg2+ 2 mercurioso

Aniones comunes [17] Nombre formal Fórmula Alt. nombre Aniones simples Azida norte- 3 Bromuro Br - Carburo C - Cloruro Cl - Fluoruro F - Hidruro H - Yoduro Yo - Nitruro N 3− Fosfuro P 3− Óxido O 2− Sulfuro S 2− Selenida Se 2− Oxoaniones ( iones poliatómicos ) [17] Carbonato CO2− 3 Clorato ClO- 3 Cromato CrO2− 4 Dicromato Cr 2O2- 7 Fosfato de dihidrógeno H 2correos- 4 Carbonato de hidrógeno HCO- 3 bicarbonato Sulfato de hidrogeno HSO- 4 bisulfato Sulfito de hidrógeno HSO- 3 bisulfito Hidróxido OH - Hipoclorito ClO - Fosfato monohidrógeno HPO2− 4 Nitrato NO- 3 Nitrito NO- 2 Perclorato ClO- 4 Permanganato MnO- 4 Peróxido O2− 2 Fosfato correos3− 4 Sulfato ENTONCES2− 4 Sulfito ENTONCES2− 3 Superóxido O- 2 Tiosulfato S 2O2− 3 Silicato SiO4− 4 Metasilicato SiO2− 3 Silicato de aluminio También- 4 Aniones de ácidos orgánicos Acetato CH 3ARRULLO- etanoato Formate HCOO- metanoato Oxalato C 2O2− 4 etanodioato Cianuro CN -

Ver también

• Ionizador de aire
• Aurora
• Electrólito
• Detectores de ionización gaseosa
• Ioliomics
• Haz de iones
• Intercambio iónico
• Radiación ionizante
• Poder de detención de las partículas de radiación

Referencias

1. Entrada "Ion" en el diccionario inglés Collins .
2. Knoll, Glenn F (1999). Detección y medición de radiación (3ª ed.). Nueva York: Wiley. ISBN 978-0-471-07338-3.
3. Frank AJL James, ed. (1991). La correspondencia de Michael Faraday, vol. 2: 1832-1840 . pag. 183. ISBN 9780863412493.
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