Ионы

(от греч. ion – идущий), одноатомные или многоатомные частицы, несущие электрический заряд, например: Н⁺, Li⁺, Аl³⁺, NH₄⁺, F^-, SO₄^2-. Положительные ионы называют катионами (от греч. kation, буквально - идущий вниз), отрицательные - анионами (от греч. anion, буквально идущий вверх).

В свободном состоянии ионы существуют в газовой фазе (в плазме). Положительные ионы в газовой фазе можно получить в результате отрыва одного или нескольких электронов от нейтральных частиц при сильном нагреве газа, действии электрического разряда, ионизирующих излучений и др. Поглощаемую при образовании однозарядного положительных ионов энергию называют первым потенциалом ионизации (или первой энергией ионизации), для получения двухзарядного иона из однозарядного затрачивается вторая энергия ионизации и т.д. Отрицательные ионы образуются в газовой фазе при присоединении к частицам свободных электронов, причем нейтральные атомы могут присоединять не более одного электрона; отрицательные многозарядные одноатомные ионы в индивидуальном состоянии не существуют. Выделяющаяся при присоединении электрона к нейтральной частице энергия называется сродством к электрону. В газовой фазе ионы могут присоединять нейтральные молекулы и образовывать ионмолекулярные комплексы.

В конденсированных фазах ионы находятся в ионных кристаллических решетках и ионных расплавах; в растворах электролитов имеются сольватированные ионы, образовавшиеся в результате электролитической диссоциации растворенного вещества. В конденсированной фазе ионы интенсивно взаимодействуют (связаны) с окружающими их частицами - ионы противоположного знака в кристаллах и в расплавах, с нейтральными молекулами - в растворах. Взаимодействие происходит по кулоновскому, ион-дипольному, донорно-акцепторному механизмам. В растворах вокруг иона образуются сольватные оболочки из связанных с ионами молекул растворителя. Представление об ионах в кристаллах - удобная идеализированная модель, т.к. чисто ионной связи никогда не бывает, например, в кристаллическом NaCl эффективные заряды атомов Na и Сl равны соответственно приблизительно +0,9 и 0,9.

Свойства ионов в конденсированной фазе значительно отличаются от свойств тех же ионов в газовой фазе. В растворах существуют отрицательные двухзарядные одноатомные ионы. В конденсированной фазе имеется множество различных многоатомных ионов - анионы кислородсодержащих кислот, например NO₃^-, SO₄^2-, комплексные ионы, например [Co(NH₃)₆]³⁺, [PtCl₆]^2-, кластерные ионы [Nb₆Cl₁₂]²⁺ и др. В растворе ионы могут образовывать ионные пары. Термодинамические характеристики - ∆H⁰обр, S⁰, ∆G⁰обр индивидуальных ионов известны точно только для ионов в газовой фазе. Для ионов в растворах при экспериментальном определении всегда получают сумму значений термодинамических характеристик для катиона и аниона. Возможен теоретический расчет термодинамических величин индивидуальных ионов, но его точность пока меньше точности экспериментальных определения суммарных значений, поэтому для практических целей пользуются условными шкалами термодинамических характеристик индивидуальных ионов в растворе, причем обычно принимают величины термодинамических характеристик Н⁺ равными нулю. Основные структурные характеристики ионов в конденсируемой фазе – радиус и координационное число. Было предложено много различных шкал радиусов одноатомных ионов. Часто используются так называемые физические радиусы ионов, найденные К.Шенноном (1969) по экспериментальным данным о точках минимума электронной плотности в кристаллах. Координационные числа одноатомных ионов в основном лежат в пределах 4-8.

Ионы участвуют во множестве разнообразных реакций. Часто бывают катализаторами, промежуточными частицами в химических реакциях, например, при гетеролитических реакциях. Обменные ионные реакции в растворах электролитов обычно протекают практически мгновенно. В электрическом поле ионы переносят электричество: катионы - к отрицательному электроду (катоду), анионы - к положительному (аноду); одновременно происходит перенос вещества, который играет важную роль в электролизе и ионном обмене и других процессах. Ионы играют важную роль в геохимических процессах, химической технологии, а также в процессах в живом организме (например, функционирование биологических мембран, проводимость нервных импульсов, физико-химических свойствах белков и т.п.) и др.