Un ion ( /ˈaɪ.ɒn,-ən/)[1 ] es un átomo o molécula con 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 [2] mientras que un anión es un ion cargado negativamente con más electrones que protones. [3] Las cargas eléctricas opuestas son atraídas entre sí por la fuerza electrostática , por lo que los cationes y 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 mediante colisiones espontáneas de moléculas, donde cada par generado consta de un electrón libre y un ion positivo. [4] Los iones también se crean mediante interacciones químicas, como la disolución de una sal en líquidos, o por otros medios, como pasar una corriente directa a través de una solución conductora, disolviendo un ánodo mediante ionización .
La palabra ion fue acuñada del participio presente neutro griego de ienai ( griego : ἰέναι ), que significa "ir". Un catión es algo que se mueve hacia abajo ( griego : κάτω pronunciado kato , que significa "hacia abajo") y un anión es algo que se mueve hacia arriba ( griego : ano ἄνω , que significa "arriba"). Se llaman así porque los iones se mueven hacia el electrodo de carga opuesta. Este término fue introducido (tras una sugerencia del erudito inglés William Whewell ) [5] por el físico y químico inglés Michael Faraday en 1834 para la especie entonces desconocida que pasa de un electrodo a otro a través de un medio acuoso. [6] [7] Faraday no conocía la naturaleza de estas especies, pero sabía que dado que los metales se disolvían y entraban en una solución en un electrodo y un nuevo metal salía 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. [5]
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 en 1903. [8] La explicación de Arrhenius fue que al formar una solución, la sal se disocia en iones de Faraday; propuso que los iones se formaran incluso en ausencia de una corriente eléctrica. [9] [10] [11]
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 disolventes (por ejemplo, agua) para producir iones solvatados , que son más estables, por razones que implican 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 menor masa y, por tanto, a sus mayores propiedades de llenado de espacio como ondas de materia , determinan el tamaño de los átomos y moléculas que poseen algún electrón. Por lo tanto, los aniones (iones cargados negativamente) son más grandes que la molécula o átomo original, ya que los electrones en exceso se repelen entre sí y aumentan el 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 particular (el del hidrógeno) no contiene electrones y, por tanto, está formado por un solo protón, mucho más pequeño que el átomo de hidrógeno original.
El anión (-) y el catión (+) indican la carga eléctrica neta de un ion. Un ion que tiene más electrones que protones, lo que le da una carga neta negativa, se denomina anión, y una indicación negativa "Anión (-)" indica la carga negativa. Con un catión ocurre todo lo contrario: tiene menos electrones que protones, lo que le confiere una carga neta positiva, de ahí la indicación "Catión (+)".
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.
UnEl anión (-) ( / ˈ æ n ˌ aɪ . ən / ANN -eye-ən , de la palabra griega ἄνω ( ánō ), que significa "arriba" [12] ) es un ion con más electrones que protones, lo que le da una red carga negativa (ya que los electrones tienen carga negativa y los protones tienen carga positiva). [13]
Acatión (+) ( / ˈ k æ t ˌ aɪ . ən / KAT -eye-ən , de la palabra griega κάτω ( káto ), que significa "abajo" [14] ) es un ion con menos electrones que protones, lo que le da una Carga positiva. [15]
Se utilizan nombres adicionales para iones con cargas múltiples. Por ejemplo, un ion con carga −2 se conoce como dianión y un ion con carga +2 se conoce como dicación . Un zwitterion es una molécula neutra con cargas positivas y negativas en diferentes lugares dentro de esa molécula. [dieciséis]
Los cationes y aniones se miden por su radio iónico y difieren en su 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. [17]
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 tras su consulta con William Whewell .
Los iones son omnipresentes en la naturaleza y son responsables de diversos fenómenos desde la luminiscencia del Sol hasta la existencia de la ionosfera terrestre . 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 la química orgánica como inorgánica (incluida la bioquímica), la interacción del agua y los iones es extremadamente importante [ cita necesaria ] ; un ejemplo es la energía que impulsa la descomposición del trifosfato de adenosina ( ATP ) [ aclaración necesaria ] .
Los iones se pueden preparar de forma no química utilizando diversas fuentes de iones , que generalmente 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 alteración 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 del total de sólidos disueltos , un indicador ampliamente conocido de la calidad del agua .
El efecto ionizante de la radiación sobre un gas se utiliza ampliamente para la detección de radiaciones 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 del ion por la radiación sobre las moléculas del 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. [4]
Tanto el tubo Geiger-Müller como el contador proporcional utilizan un fenómeno conocido como avalancha de Townsend para multiplicar el efecto del evento ionizante original mediante un efecto de cascada mediante el cual el campo eléctrico proporciona a los electrones libres suficiente energía para liberar más electrones. Impacto de iones.
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 carga única; por ejemplo, el catión sodio se indica como Na + y no Na 1+ .
Una forma alternativa (y aceptable) de mostrar una molécula/átomo con múltiples cargas es dibujando los signos varias veces; esto se ve a menudo con los metales de transición. A veces los químicos rodean el letrero; esto es meramente ornamental y no altera el significado químico. Por lo tanto , las tres representaciones de Fe 2+ , Fe ++ y Fe ⊕⊕ que se muestran en la figura son equivalentes.
Los iones monoatómicos a veces también se indican con números romanos , particularmente en espectroscopia ; por ejemplo, el ejemplo de Fe 2+ (doblemente cargado positivamente) visto anteriormente se conoce como Fe (III) , Fe III o Fe III (Fe I para un átomo de Fe neutro, Fe II para un ion Fe individualmente ionizado). El número romano designa el estado de oxidación formal de un elemento, mientras que los números indoárabes en superíndice denotan la carga neta. Por lo tanto, las dos notaciones son intercambiables para 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.
Si un ion contiene electrones desapareados , se llama ion radical . Al igual que los radicales sin carga, 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).
Los iones monoatómicos se forman mediante la ganancia o pérdida de electrones en la capa de valencia (la capa electrónica más externa) de un átomo. Las capas internas de un átomo están llenas de electrones que están estrechamente unidos al núcleo atómico cargado positivamente y, por lo tanto, 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 consecución de configuraciones electrónicas estables ("cáscara cerrada") . Los átomos ganarán o perderán electrones dependiendo de qué acción requiera menos energía.
Por ejemplo, un átomo de sodio , Na, tiene un solo electrón en su capa de valencia, rodeando dos 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 extra y alcanzar esta configuración estable, convirtiéndose en un catión de sodio en el proceso.
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. Así, 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:
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 comúnmente conocido como sal de mesa.
Los iones poliatómicos y moleculares a menudo se forman mediante 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 la misma cantidad 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 ganando o perdiendo iones elementales como H + , en lugar de ganar o perder electrones. Esto permite que la molécula preserve su configuración electrónica estable mientras adquiere una carga eléctrica.
La energía necesaria para desprender un electrón en su estado energético más bajo de un átomo o molécula de un gas con menor 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 desprender su n -ésimo electrón después de que ya se hayan desprendido los primeros n − 1 electrones.
Cada energía de ionización sucesiva es notablemente mayor que la anterior. Se producen aumentos particularmente grandes después de que cualquier bloque dado de orbitales atómicos se queda sin electrones. Por esta razón, los iones tienden a formarse de manera 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. [18] 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 cargados positivamente y los no metales ganarán electrones para formar iones cargados negativamente.
El enlace iónico es un tipo de enlace químico que surge de la atracción mutua de iones con cargas opuestas. Los iones de carga similar se repelen entre sí 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 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 gases nobles , que rara vez forman compuestos químicos). Los metales se caracterizan por tener una pequeña cantidad de electrones en exceso para una configuración electrónica estable de capa cerrada . Como tales, tienen tendencia a perder estos electrones adicionales para alcanzar una configuración estable. Esta propiedad se conoce como electropositividad . Los no metales, por otro lado, se caracterizan por tener una configuración electrónica a pocos electrones de una configuración estable. Como tales, tienen 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 .
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