Хімія. Повторне видання (2025). 8 клас. Попель
§ 37. Йони — найменші частинки багатьох речовин
Крім атомів і молекул, існує ще один тип частинок, з яких складаються речовини, — йони. Вони містяться в природній воді, ними утворена більшість мінералів. Слово «йон» є частиною інших слів. Верхній шар атмосфери, у якому, крім молекул і атомів газів, містяться йони (а ще й електрони), називають йоносферою. Йонообмінні смоли використовують для одержання чистої води, а літій-йонні акумулятори є поширеними хімічними джерелами струму.
Дізнаєтеся, зрозумієте, використаєте
- Чим йони відрізняються від атомів?
- Як записати формулу йона?
- Як визначають електронну будову йонів?
Йони. Атоми багатьох елементів можуть зазнавати змін, пов’язаних із формуванням стійкої електронної будови — восьмиелектронного зовнішнього енергетичного рівня, наявного в атомах інертних елементів (або єдиного двоелектронного 1-го рівня, як в атомі Гелію).
Метал літій і неметал фтор мають високу хімічну активність. Під час хімічної реакції між цими речовинами
2Li + F2 = 2LiF
кожний атом Літію втрачає електрон і перетворюється на заряджену частинку, а атом Флуору приєднує електрон і також стає зарядженою частинкою.
Виконаймо вправу
Запишіть електронні формули частинок, що утворюються, і визначте їхні електричні заряди.
Заряджені частинки обох типів у речовині LiF та багатьох інших речовинах називають йонами.
Йон — заряджена частинка, яка утворюється з атома внаслідок втрати або приєднання ним одного чи кількох електронів.
Якщо атом втрачає один електрон, то перетворюється на йон із зарядом +1, а в разі приєднання ним, наприклад, двох електронів — на йон із зарядом -2. Позитивно заряджені йони називають катіонами, негативно заряджені — аніонами.
Думаймо
Чим зумовлений позитивний заряд катіона?
У хімічній формулі йона заряд позначають верхнім індексом праворуч від символу елемента; спочатку записують цифру (одиницю не вказують), а потім — знак заряду: Li+, Ва2+, Н+, F-, S2-. Хімічну формулу першого йона читають «літій-плюс», останнього — «ес-два-мінус». Ці частинки називатимемо так: йон (або катіон) Літію, йон (або аніон) Сульфуру.
Є також йони, утворені кількома атомами (мал. 94). Наприклад, у складі речовини NaOH містяться, крім катіонів Na+, аніони ОН-, а в аміачній селітрі (добриво) — катіони NH4+ й аніони NO3-. Атоми в таких йонах сполучені ковалентним зв’язком.
Мал. 94. Моделі складних йонів
Із протилежно заряджених йонів складається значна кількість речовин, зокрема кухонна сіль, крейда, гашене й негашене вапно, харчова і кальцинована сода, майже всі мінеральні добрива.
Утворення позитивно заряджених йонів. Елемент № 11 Натрій розміщений у періодичній таблиці після інертного елемента Неону. Ядро атома Натрію містить 11 протонів (заряд ядра становить +11); навколо нього перебуває стільки ж електронів. Серед них один електрон належить зовнішньому (третьому) енергетичному рівню, а вісім — передостанньому рівню (2s22p6).
Під час хімічної реакції за участю металу натрію атом Натрію легко втрачає електрон, який перебував у 3s-орбіталі, і перетворюється на йон. Заряд цієї частинки визначаємо так: +11 (заряд ядра) - 10 (сумарний заряд електронів) = +1. Оскільки ядро залишається незмінним, то йон, як і атом, належить елементу Натрію.
Електронна будова катіона Na+ така сама, що й атома Неону (обидві частинки містять по 10 електронів). Цей йон є стійким, оскільки має зовнішній електронний октет.
Схема перетворення атома Натрію на йон та електронні формули частинок:
Na - е- → Na+;
атом Na — 1s22s22p63s1, або [Ne]3s1;
йон Na+— 1s22s22p6, або [Ne].
Електронний октет міг би утворитися внаслідок надходження на третій енергетичний рівень атома Натрію додаткових 7 електронів. Однак цього не відбувається — атому легше втратити один електрон, ніж приєднати сім.
Катіони Na+ містяться у складі майже всіх сполук Натрію.
Виконаймо вправу
Напишіть схему перетворення атома Магнію на відповідний йон і наведіть електронні формули обох частинок.
Варто знати
Атоми металічних елементів мають на зовнішньому енергетичному рівні невелику кількість електронів (зазвичай від одного до трьох) і здатні втрачати їх, перетворюючись на катіони.
Утворення негативно заряджених йонів. В атомі елемента № 17 Хлору на зовнішньому енергетичному рівні розміщені 7 електронів (3s23p5). Цей атом може приєднати один електрон (який віддасть йому, наприклад, атом Натрію) і перетворитися на йон Сl- Електронна будова аніона Хлору така сама, що й атома інертного елемента Аргону.
Схема перетворення атома Хлору на йон та електронні формули цих частинок такі:
Сl + е- → Сl-;
атом Сl — 1s22s22p63s23p5, або [Ne]3s23p5;
йон Сl- — 1s22s22p63s23p6, або [Аr].
Аніони Сl- містяться в більшості сполук металічних елементів із Хлором, зокрема в натрій хлориді NaCl.
Виконаймо вправу
Напишіть схему перетворення атома Оксигену на відповідний йон і наведіть електронні формули обох частинок.
Варто знати
1. Атоми неметалічних елементів (окрім інертних) мають на зовнішньому енергетичному рівні від чотирьох до семи електронів і здатні приєднувати додаткові електрони, перетворюючись на аніони.
2. Йони елементів головних підгруп містять на зовнішньому енергетичному рівні октет електронів.
Обговорюймо
Чи пов’язана здатність атома втрачати/приєднувати електрони з його електронегативністю? Відповідь аргументуйте.
Відмінності йонів від атомів. Ви вже знаєте, що йони відрізняються від атомів електронною будовою і наявністю електричного заряду. Різна електронна будова атома і відповідного йона зумовлює різні розміри частинок. Атом Натрію має на 3-му енергетичному рівні один електрон, а в йоні Натрію електрони розміщені лише на двох енергетичних рівнях. Тому радіус йона Na+ значно менший, ніж атома Натрію. В атомі Хлору і йоні Сl- електрони перебувають на трьох енергетичних рівнях. Оскільки в йона Сl- на один електрон більше, то його радіус трохи більший.
Обидва види частинок мають різні властивості. Атоми, з яких складається метал натрій, на відміну від йонів Na+ реагують з молекулами води. Атоми Хлору легко сполучаються в молекули Сl2, а з йонами Сl- цього не відбувається.
Гідроген — єдиний неметалічний елемент, атом якого може перетворитися не лише на аніон Н-, а й на катіон Н+. Йони Н+ містяться у водному розчині будь-якої кислоти, надають йому кислого смаку, змінюють забарвлення особливих речовин — індикаторів. Атоми Гідрогену таких властивостей не мають. На відміну від йонів атоми легко сполучаються в молекули Н2, з яких складається проста речовина водень. Йони Н- відрізняються за властивостями від атомів Гідрогену і йонів Н+. Вони, зокрема, не можуть перебувати у воді, оскільки взаємодіють з її молекулами.
Маси атома і відповідного катіона (аніона) різняться незначною мірою. Тому в обчисленнях, які стосуються йонів, використовують відносні атомні маси
Ar(Li) ≈ Ar(Li+);
Ar(F) ≈ Ar(F-)
або молярні маси:
М(ОН-) ≈ 17 г/моль;
M(NH4+) ≈ 18 г/моль.
Вміст йонів за масою в питній і мінеральній воді зазначають на етикетках пляшок (мал. 95).
Мал. 95. Йони в мінеральній воді
ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ
Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про перетворення атомів на йони, типи йонів і відмінності йонів від атомів.
Думаймо
Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам/однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.
ВАШІ ДОСЯГНЕННЯ І ВІДКРИТТЯ
Перевірмо себе
1. Яка частинка містить більше електронів:
- а) атом чи відповідний катіон;
- б) атом чи відповідний аніон?
2. Укажіть, який з елементів — Кальцій чи Нітроген — може утворювати катіон, а який — аніон. Визначте заряд кожного йона і напишіть хімічні формули цих частинок.
3. Складіть електронні формули йонів Ве2+ і S2-.
Поміркуймо
4. Атом якого хімічного елемента має таку саму електронну будову, що і йон Алюмінію? Складіть електронну формулу частинки та зобразіть її графічний варіант.
5. В атомі якого елемента міститься на 2 електрони менше, ніж у йоні Магнію?
6. Укажіть у поданому переліку частинку з найбільшим радіусом і найменшим радіусом: атом Ne, йони Na+, Mg2+, F-. Відповідь обґрунтуйте.
Виконаймо вправу
7. Напишіть хімічні формули частинок, у яких електронна будова зовнішнього енергетичного рівня — 3s23p6.
8. Складіть електронну формулу частинки, яка має 8 протонів і 10 електронів. Назвіть цю частинку.
9. Допишіть у схеми утворення йонів знаки «плюс» або «мінус» і відповідну кількість електронів: а) I ... е- → I-; б) Аl ... е- → Аl3+.
10. Напишіть схеми утворення катіона та аніона Гідрогену з атома. Яка частинка має найменший радіус — катіон, аніон чи атом Гідрогену? Чому?
У команді
11.* Назвіть три катіони і два аніони, електронна будова яких така сама, що і йона F-.
12. Слово «йон» походить від грецького «іон» (той, що йде). З’ясуйте, чому частинці дали таку назву.
Формуймо словничок
13. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.
Оцінюймо свої знання
14. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.
