Analiza mieszaniny kationów i anionów
W magicznym świecie chemii każda przemiana jest możliwa. Na przykład bezpieczną substancję, która jest często używana w życiu codziennym, można uzyskać z kilku niebezpiecznych. Takie oddziaływanie pierwiastków, w wyniku którego uzyskuje się jednorodny układ, w którym wszystkie substancje wchodzące w reakcję rozpadają się na cząsteczki, atomy i jony, nazywa się rozpuszczalnością. Aby zrozumieć mechanizm interakcji substancji warto zwrócić uwagę na tabela rozpuszczalności.
Tablica, która pokazuje stopień rozpuszczalności, jest jedną z pomocy do nauki chemii. Ci, którzy rozumieją naukę, nie zawsze pamiętają, jak rozpuszczają się niektóre substancje, dlatego zawsze powinieneś mieć pod ręką stół.
Pomaga w rozwiązywaniu równań chemicznych, w których biorą udział reakcje jonowe. Jeśli wynikiem jest substancja nierozpuszczalna, reakcja jest możliwa. Istnieje kilka opcji:
- Substancja dobrze się rozpuszcza;
- trudno rozpuszczalny;
- Praktycznie nierozpuszczalny;
- Nierozpuszczalny;
- Hydrolizuje i nie ma kontaktu z wodą;
- Nie istnieje.
elektrolity
Są to roztwory lub stopy przewodzące prąd. Ich przewodnictwo elektryczne tłumaczy się ruchliwością jonów. Elektrolity można podzielić na 2 grupy:
- Silny. Całkowicie rozpuścić, niezależnie od stopnia koncentracji roztworu.
- Słaby. Dysocjacja zachodzi częściowo, w zależności od stężenia. Zmniejsza się przy wysokim stężeniu.
Podczas rozpuszczania elektrolity dysocjują na jony o różnych ładunkach: dodatnim i ujemnym. Pod wpływem prądu jony dodatnie kierowane są na katodę, a jony ujemne na anodę. Katoda jest dodatnia, a anoda ujemna. W rezultacie następuje ruch jonów.
Równolegle z dysocjacją zachodzi proces odwrotny - łączenie jonów w cząsteczki. Kwasy to takie elektrolity, podczas rozkładu których powstaje kation - jon wodorowy. Zasady anionowe to jony wodorotlenowe. Zasady to zasady rozpuszczające się w wodzie. Elektrolity zdolne do tworzenia zarówno kationów, jak i anionów nazywane są amfoterycznymi.
jony
Jest to taka cząstka, w której jest więcej protonów lub elektronów, będzie nazywana anionem lub kationem, w zależności od tego, co więcej: protonów lub elektronów. Jako niezależne cząstki znajdują się w wielu stanach skupienia: gazach, cieczach, kryształach i plazmie. Koncepcja i nazwa zostały wprowadzone przez Michaela Faradaya w 1834 roku. Badał wpływ elektryczności na roztwory kwasów, zasad i soli.
Jony proste niosą jądro i elektrony. Jądro stanowi prawie całą masę atomową i składa się z protonów i neutronów. Liczba protonów pokrywa się z numerem seryjnym atomu w układzie okresowym i ładunkiem jądra. Jon nie ma określonych granic ze względu na ruch falowy elektronów, więc nie można zmierzyć ich wielkości.
Oderwanie elektronu od atomu wymaga z kolei nakładów energii. To się nazywa energia jonizacji. Kiedy elektron jest przyłączony, energia jest uwalniana.
Kationy
Są to cząstki niosące ładunek dodatni. Mogą mieć różne wartości ładunku, na przykład: Ca2+ jest kationem naładowanym podwójnie, Na+ jest kationem naładowanym pojedynczo. Migracja do ujemnej katody w polu elektrycznym.
Aniony
Są to elementy, które mają ładunek ujemny. Ma również inną liczbę ładunków, na przykład CL- jest jonem naładowanym pojedynczo, SO42- jest jonem naładowanym podwójnie. Takie pierwiastki wchodzą w skład substancji o jonowej sieci krystalicznej, w soli kuchennej i wielu związkach organicznych.
- sód. metal alkaliczny. Po oddaniu jednego elektronu znajdującego się na zewnętrznym poziomie energii atom zamieni się w kation dodatni.
- Chlor. Atom tego pierwiastka przenosi jeden elektron do ostatniego poziomu energii, zamienia się on w ujemny anion chlorkowy.
- Sól. Atom sodu przekazuje elektron do chloru, w wyniku czego w sieci krystalicznej kation sodu jest otoczony sześcioma anionami chloru i odwrotnie. W wyniku tej reakcji powstaje kation sodu i anion chlorkowy. W wyniku wzajemnego przyciągania powstaje chlorek sodu. Powstaje między nimi silne wiązanie jonowe. Sole są związkami krystalicznymi z wiązaniem jonowym.
- kwasowa pozostałość. Jest to ujemnie naładowany jon występujący w złożonym związku nieorganicznym. Występuje w formułach kwasów i soli, zwykle występuje po kationie. Prawie wszystkie takie pozostałości mają swój własny kwas, na przykład SO4 - z kwasu siarkowego. Kwasy niektórych pozostałości nie istnieją i są formalnie spisane, ale tworzą sole: jon fosforynowy.
Chemia to nauka, w której możliwe jest stworzenie niemal każdego cudu.
Z pewnością każdy z czytelników słyszał takie słowa jak „plazma”, a także „kationy i aniony”, jest to dość interesujący temat do nauki, który ostatnio dość mocno zadomowił się w życiu codziennym. Tak więc w życiu codziennym rozpowszechniły się tak zwane wyświetlacze plazmowe, które mocno zajęły swoją niszę w różnych urządzeniach cyfrowych - od telefonów po telewizory. Ale czym jest plazma i jakie ma zastosowanie we współczesnym świecie? Spróbujmy odpowiedzieć na to pytanie.
Od najmłodszych lat, w szkole podstawowej, mówiono im, że istnieją trzy stany skupienia materii: stały, płynny, a także gazowy. Codzienne doświadczenie pokazuje, że tak właśnie jest. Możemy wziąć trochę lodu, stopić go, a następnie odparować - to całkiem logiczne.
Ważny! Istnieje czwarty podstawowy stan skupienia zwany plazmą.
Zanim jednak odpowiemy na pytanie: co to jest, przypomnijmy sobie szkolny kurs fizyki i rozważmy budowę atomu.
W 1911 roku fizyk Ernst Rutherford, po wielu badaniach, zaproponował tak zwany planetarny model atomu. Co ona reprezentuje?
Zgodnie z wynikami jego eksperymentów z cząstkami alfa okazało się, że atom jest swego rodzaju analogiem do Układu Słonecznego, w którym wcześniej znane elektrony pełniły rolę „planet”, krążących wokół jądra atomowego.
Teoria ta stała się jednym z najważniejszych odkryć w fizyce cząstek elementarnych. Ale dziś uznawany jest za przestarzały, a na jego miejsce przyjęto inny, bardziej zaawansowany, zaproponowany przez Nielsa Bohra. Jeszcze później, wraz z pojawieniem się nowej gałęzi nauki, tak zwanej fizyki kwantowej, przyjęto teorię dualizmu falowo-cząsteczkowego.
Zgodnie z nim większość cząstek to jednocześnie nie tylko cząstki, ale także fala elektromagnetyczna. Dlatego nie można mieć 100% pewności, gdzie w danym momencie znajduje się elektron. Możemy tylko zgadywać, gdzie on może być. Takie „dopuszczalne” granice nazwano później orbitalami.
Jak wiecie, elektron ma ładunek ujemny, podczas gdy protony w jądrze mają ładunek dodatni. Ponieważ liczba elektronów i protonów jest równa, atom ma ładunek zerowy lub alternatywnie jest elektrycznie obojętny.
Pod różnymi wpływami zewnętrznymi atom ma możliwość zarówno utraty elektronów, jak i ich nabycia, zmieniając swój ładunek na dodatni lub ujemny, stając się jonem. Jony są więc cząsteczkami o niezerowym ładunku - czy to jądra atomów, czy oderwane elektrony. W zależności od ładunku, dodatnie lub ujemne, jony nazywane są odpowiednio kationami i anionami.
Jakie wpływy mogą prowadzić do jonizacji substancji? Na przykład można to osiągnąć przez ogrzewanie. Jednak w warunkach laboratoryjnych jest to prawie niemożliwe - sprzęt nie wytrzyma tak wysokich temperatur.
Inny równie interesujący efekt można zaobserwować w mgławicach kosmicznych. Takie obiekty najczęściej składają się z gazu. Jeśli w pobliżu znajduje się gwiazda, to jej promieniowanie może zjonizować substancję mgławicy, w wyniku czego już samodzielnie zaczyna emitować światło.
Patrząc na te przykłady, można odpowiedzieć na pytanie, czym jest plazma. Tak więc, jonizując pewną objętość materii, zmuszamy atomy do oddania swoich elektronów i uzyskania ładunku dodatniego. Swobodne elektrony, mające ładunek ujemny, mogą pozostać wolne lub łączyć się z innym atomem, zmieniając w ten sposób jego ładunek na dodatni. Tak więc materia nigdzie się nie rozchodzi, a liczba protonów i elektronów pozostaje taka sama, pozostawiając plazmę elektrycznie obojętną.
Rola jonizacji w chemii
Można śmiało powiedzieć, że chemia jest w rzeczywistości fizyką stosowaną. I chociaż nauki te zajmują się badaniem zupełnie innych zagadnień, nikt nie odwołał praw interakcji materii w chemii.
Jak opisano powyżej, elektrony mają swoje ściśle określone miejsca - orbitale. Kiedy atomy tworzą substancję, łącząc się w grupę, również „dzielą się” swoimi elektronami z sąsiadami. I chociaż cząsteczka pozostaje elektrycznie obojętna, jedna jej część może być anionem, a druga kationem.
Przykładu nie trzeba daleko szukać. Dla jasności można wziąć dobrze znany kwas solny, to także chlorowodór – HCL. Wodór w tym przypadku będzie miał ładunek dodatni. Chlor w tym związku jest pozostałością i nazywa się chlorkiem - tutaj ma ładunek ujemny.
Uwaga!Łatwo jest dowiedzieć się, jakie właściwości mają określone aniony.
Tabela rozpuszczalności pokaże, która substancja dobrze się rozpuszcza, a która natychmiast reaguje z wodą.
Przydatne wideo: kationy i aniony
Wniosek
Dowiedzieliśmy się, czym jest substancja zjonizowana, jakich praw przestrzega i jakie procesy za nią stoją.
Chemia to nauka „magiczna”. Gdzie jeszcze można uzyskać bezpieczną substancję, łącząc dwie niebezpieczne? Mówimy o zwykłej soli kuchennej - NaCl. Rozważmy każdy pierwiastek bardziej szczegółowo, opierając się na zdobytej wcześniej wiedzy o budowie atomu.
Sód - Nai, metal alkaliczny (grupa IA).
Konfiguracja elektroniczna: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1
Jak widać, sód ma jeden elektron walencyjny, który „zgadza się” oddać, aby jego poziomy energetyczne były kompletne.
Chlor - Cl, halogen (grupa VIIA).
Konfiguracja elektroniczna: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5
Jak widać, chlor ma 7 elektronów walencyjnych, a jeden elektron „nie wystarczy”, aby uzupełnić swoje poziomy energetyczne.
A teraz zgadnij, dlaczego atomy chloru i sodu są tak „przyjazne”?
Wcześniej mówiono, że gazy obojętne (grupa VIIIA) mają całkowicie „zapełnione” poziomy energetyczne – całkowicie wypełniły zewnętrzne orbitale i p-orbitale. Stąd tak słabo wchodzą w reakcje chemiczne z innymi pierwiastkami (po prostu nie muszą być z nikim „przyjaciółmi”, bo „nie chcą” dawać ani otrzymywać elektronów).
Kiedy poziom energii walencyjnej jest wypełniony, element staje się stabilny lub bogaty.
Gazy obojętne mają „szczęście”, ale co z pozostałymi elementami układu okresowego pierwiastków? Oczywiście "poszukiwanie" partnera jest jak zamek do drzwi i klucz - pewien zamek ma swój własny klucz. Podobnie pierwiastki chemiczne, próbując wypełnić swój zewnętrzny poziom energetyczny, wchodzą w reakcje z innymi pierwiastkami, tworząc stabilne związki. Dlatego zewnętrzne orbitale s (2 elektrony) i p (6 elektronów) są wypełnione, wtedy proces ten nazywa się "reguła oktetu"(oktet = 8)
Sód: Na
Na zewnętrznym poziomie energetycznym atomu sodu znajduje się jeden elektron. Aby przejść do stanu stabilnego, sód musi albo oddać ten elektron, albo przyjąć siedem nowych. Na podstawie powyższego sód odda elektron. W tym przypadku „znika” w nim orbital 3s, a liczba protonów (11) będzie o jeden większa niż liczba elektronów (10). Dlatego neutralny atom sodu zamieni się w dodatnio naładowany jon - kation.
Elektroniczna konfiguracja kationu sodu: Na+ 1s 2 2s 2 2p 6
Szczególnie uważni czytelnicy słusznie powiedzą, że neon (Ne) ma taką samą konfigurację elektroniczną. Więc co, sód zamienił się w neon? Wcale nie - nie zapomnij o protonach! Nadal; sód ma 11; neon ma 10. Mówi się, że kation sodu to izoelektroniczny neon (ponieważ ich konfiguracje elektroniczne są takie same).
Podsumować:
- atom sodu i jego kation różnią się o jeden elektron;
- kation sodu jest mniejszy, ponieważ traci swój zewnętrzny poziom energii.
Chlor: Cl
W przypadku chloru sytuacja jest dokładnie odwrotna - ma on siedem elektronów walencyjnych na zewnętrznym poziomie energii i musi przyjąć jeden elektron, aby stać się stabilnym. W takim przypadku będą miały miejsce następujące procesy:
- atom chloru przyjmie jeden elektron i zostanie naładowany ujemnie anion(17 protonów i 18 elektronów);
- konfiguracja elektronowa chloru: Cl- 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
- anion chlorkowy jest izoelektroniczny z argonem (Ar);
- ponieważ zewnętrzny poziom energii chloru jest „skończony”, promień kationu chloru będzie nieco większy niż promień „czystego” atomu chloru.
Sól kuchenna (chlorek sodu): NaCl
Z powyższego jasno wynika, że elektron, który oddaje sód, staje się elektronem, który otrzymuje chlor.
W sieci krystalicznej chlorku sodu każdy kation sodu jest otoczony sześcioma anionami chlorku. Odwrotnie, każdy anion chlorkowy jest otoczony sześcioma kationami sodu.
W wyniku ruchu elektronu powstają jony: kation sodu(Na+) i anion chlorkowy(Cl-). Ponieważ przeciwne ładunki się przyciągają, powstaje stabilne wiązanie. NaCl (chlorek sodu) - sól kuchenna.
W wyniku wzajemnego przyciągania przeciwnie naładowanych jonów powstają wiązanie jonowe- stabilny związek chemiczny.
Nazywa się związki z wiązaniami jonowymi sole. W stanie stałym wszystkie związki jonowe są substancjami krystalicznymi.
Należy rozumieć, że pojęcie wiązania jonowego jest raczej względne, ściśle mówiąc, tylko te substancje, w których różnica elektroujemności atomów tworzących wiązanie jonowe można przypisać „czystym” związkom jonowym jest równa lub większa niż 3. Z tego powodu w przyrodzie występuje tylko kilkanaście związków czysto jonowych, będących fluorkami metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych (np. LiF; względna elektroujemność Li=1; F=4).
Aby nie „obrażać” związków jonowych, chemicy zgodzili się uznać, że wiązanie chemiczne jest jonowe, jeśli różnica elektroujemności atomów tworzących cząsteczkę substancji jest równa lub większa niż 2. (Patrz pojęcie elektroujemności ).
Kationy i aniony
Inne sole powstają w taki sam sposób jak chlorek sodu. Metal oddaje elektrony, a niemetal je odbiera. Z układu okresowego widać, że:
- pierwiastki z grupy IA (metale alkaliczne) oddają jeden elektron i tworzą kation o ładunku 1 +;
- pierwiastki z grupy IIA (metale ziem alkalicznych) oddają dwa elektrony i tworzą kation o ładunku 2 +;
- pierwiastki z grupy IIIA oddają trzy elektrony i tworzą kation o ładunku 3 + ;
- pierwiastki grupy VIIA (halogeny) przyjmują jeden elektron i tworzą anion o ładunku 1 - ;
- elementy grupy VIA przyjmują dwa elektrony i tworzą anion o ładunku 2 - ;
- elementy grupy VA przyjmują trzy elektrony i tworzą anion o ładunku 3 - ;
Wspólne kationy jednoatomowe
Wspólne aniony jednoatomowe
Nie wszystko jest takie proste z metalami przejściowymi (grupa B), które mogą oddać różną liczbę elektronów, jednocześnie tworząc dwa (lub więcej) kationy o różnych ładunkach. Na przykład:
- Cr 2+ - dwuwartościowy jon chromu; chrom(II)
- Mn 3+ - trójwartościowy jon manganu; mangan(III)
- Hg 2 2+ - jon dwuatomowej dwuwartościowej rtęci; rtęć(I)
- Pb 4+ - czterowartościowy jon ołowiu; ołów(IV)
Wiele jonów metali przejściowych może mieć różne stopnie utlenienia.
Jony nie zawsze są jednoatomowe, mogą składać się z grupy atomów - Jony polatomowe. Na przykład jon dwuatomowej rtęci dwuwartościowej Hg 2 2+: dwa atomy rtęci są połączone w jeden jon i mają łączny ładunek 2 + (każdy kation ma ładunek 1 +).
Przykłady jonów wieloatomowych:
- SO 4 2- - siarczan
- SO 3 2- - siarczyn
- NO 3 - - azotan
- NO 2 - - azotyn
- NH 4 + - amon
- PO 4 3+ - fosforany