Ion

Un ion ( / ˈ aɪ . ɒ n , - ən / ) ^{[ 1 ]} es un átomo o molécula con una carga eléctrica neta . Por convención, la carga de un electrón se considera negativa, y esta carga es igual y opuesta a la carga de un protón , que por convención se considera positiva. La carga neta de un ion no es cero porque su número total de electrones es distinto de su número total de protones.

Un catión es un ion con carga positiva con menos electrones que protones ^{[ 2 ]} (p. ej., K ⁺ ( ión potasio )), mientras que un anión es un ion con carga negativa con más electrones que protones ^{[ 3 ]} (p. ej., Cl− ⁽ ión cloruro ) y OH− ⁽ ión hidróxido )). Las cargas eléctricas opuestas se atraen entre sí por la fuerza electrostática , por lo que los cationes y aniones se atraen y forman fácilmente compuestos iónicos . Los iones que constan de un solo átomo se denominan iones monoatómicos , iones atómicos o iones simples , mientras que los iones que constan de dos o más átomos se denominan iones poliatómicos o iones moleculares .

La carga neta de un ion se indica como un superíndice a la derecha. Para indicar una carga de +1 o −1, solo se escribe un + o − respectivamente, como se ve en Na ⁺ ( ión sodio ) y F ^−.( ión fluoruro ). Para indicar una carga más severa, se proporciona el número de electrones adicionales o faltantes, como se ve en O ²⁻₂ ( peróxido , con carga negativa, poliatómico) y He ²⁺ ( partícula alfa , con carga positiva, monoatómico). ^{[ 4 ]}

En el caso de la ionización física en un fluido (gas o líquido), los "pares de iones" se crean por colisiones espontáneas de moléculas, donde cada par generado consta de un electrón libre y un ion positivo. ^{[ 5 ]} Los iones también se crean por interacciones químicas, como la disolución de una sal en líquidos, o por otros medios, como hacer pasar una corriente continua a través de una solución conductora, disolviendo un ánodo por ionización .

Historia del descubrimiento

La palabra ión fue acuñada del participio presente neutro del griego ἰέναι ( ienai ), que significa "ir". Un catión es algo que se mueve hacia abajo ( griego : κάτω , kato , que significa "abajo") y un anión es algo que se mueve hacia arriba ( griego : ἄνω , ano , que significa "arriba"). Se llaman así porque los iones se mueven hacia el electrodo de carga opuesta. Este término fue introducido (después de una sugerencia del polímata inglés William Whewell ) ^{[ 6 ]} por el físico y químico inglés Michael Faraday en 1834 para la especie entonces desconocida que va de un electrodo a otro a través de un medio acuoso. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} 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 nuevo metal emergía de una solución en el otro electrodo; que algún tipo de sustancia se había movido a través de la solución en una corriente. Esto transporta materia de un lugar a otro. En correspondencia con Faraday, Whewell también acuñó los términos ánodo y cátodo , así como anión y catión, para referirse a los iones que son atraídos por los electrodos respectivos. ^{[ 6 ]}

En su disertación de 1884, Svante Arrhenius propuso la explicación de que las sales cristalinas sólidas se disocian en partículas cargadas apareadas al disolverse, por lo que ganaría el Premio Nobel de Química de 1903. ^{[ 9 ]} La explicación de Arrhenius fue que, al formar una disolución, la sal se disocia en iones de Faraday; propuso que estos iones se formaban incluso en ausencia de corriente eléctrica. ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Características

Los iones en estado gaseoso son altamente reactivos e interactúan rápidamente con iones de carga opuesta para formar moléculas neutras o sales iónicas. También se producen iones en estado líquido o sólido cuando las sales interactúan con disolventes (por ejemplo, agua) para formar una capa de solvatación a su alrededor. Estos iones solvatados son más estables debido a una combinación de cambios de energía y entropía a medida que se separan e interactúan con el líquido. Estas especies estabilizadas se encuentran con mayor frecuencia en el medio ambiente a bajas temperaturas. Un ejemplo común son los iones presentes en el agua de mar, que provienen de sales disueltas.

Como objetos cargados, los iones son atraídos por cargas eléctricas opuestas (positivas a negativas y viceversa) y repelidos por cargas iguales. Al moverse, sus trayectorias pueden desviarse por un campo magnético .

Los electrones, debido a su menor masa y, por lo tanto, a su mayor capacidad para ocupar el espacio como ondas de materia , determinan el tamaño de los átomos y moléculas que poseen electrones. Así, los aniones (iones con carga negativa) 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, dado que su tamaño está determinado por su nube electrónica . Los cationes son más pequeños que el átomo o molécula original correspondiente debido al menor tamaño de su nube electrónica. 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

El átomo de hidrógeno (centro) contiene un protón y un electrón . La eliminación del electrón da lugar a un catión (izquierda), mientras que la adición de un electrón da lugar a un anión (derecha). El anión de hidrógeno , con su nube electrónica de dos electrones débilmente unida, tiene un radio mayor que el del átomo neutro, que a su vez es mucho mayor que el protón del catión. El hidrógeno forma el único catión con carga +1 que no tiene electrones, pero incluso los cationes que (a diferencia del hidrógeno) retienen uno o más electrones siguen siendo más pequeños que los átomos o moléculas neutras de las que se derivan.

Los símbolos anión (−) y catión (+) indican la carga eléctrica neta de un ion. Un ion que tiene más electrones que protones, lo que le confiere una carga negativa neta, se denomina anión, y el signo menos ("Anión (−)") indica dicha carga. En el caso de un catión, ocurre lo contrario: tiene menos electrones que protones, lo que le confiere una carga positiva neta; de ahí el símbolo "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 en el ion menos el número de electrones.

UnEl anión (−) ( / ˈ æ n ˌ aɪ . ən / ANN -eye-ən , del griego ἄνω ( ánō ), que significa "arriba"^{[ 13 ]} ) es un ion con más electrones que protones, lo que le confiere una carga neta negativa (ya que los electrones tienen carga negativa y los protones tienen carga positiva).^{[ 14 ]}

Acatión (+) ( / ˈ k æ t ˌ aɪ . ən / KAT -eye-ən , del griego κάτω ( kátō ), que significa "abajo"^{[ 15 ]} ) es un ion con menos electrones que protones, lo que le confiere una carga positiva.^{[ 16 ]}

Existen nombres adicionales para iones con múltiples cargas. Por ejemplo, un ion con carga −2 se conoce como dianión y un ion con carga +2 se conoce como dicatión . Un zwitterión es una molécula neutra con cargas positivas y negativas en diferentes puntos de su estructura. ^{[ 17 ]}

Los cationes y aniones se miden por su radio iónico y difieren en tamaño relativo: «Los cationes son pequeños, la mayoría con un radio inferior a 10⁻¹⁰ ^m (10⁻⁸ ^cm ). Pero la mayoría de los aniones son grandes, como el anión terrestre más común, el oxígeno . De este hecho se deduce que la mayor parte del espacio de un cristal está ocupada por el anión y que los cationes se ubican en los espacios entre ellos». ^{[ 18 ]}

Los términos anión y catión (para los iones que se desplazan respectivamente hacia el ánodo y el cátodo durante la electrólisis) fueron introducidos por Michael Faraday en 1834 tras consultar con William Whewell .

fenómenos naturales

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 así la absorción de luz por los iones metálicos da el color de las piedras preciosas . Tanto en química inorgánica como orgánica (incluida la bioquímica), la interacción del agua y los iones suele ser relevante para comprender las propiedades de los sistemas; ^{[ 19 ]} un ejemplo de su importancia es en la descomposición del trifosfato de adenosina ( ATP ), que proporciona la energía para muchas reacciones en los sistemas biológicos.

Tecnología relacionada

Los iones pueden prepararse sin utilizar métodos químicos, empleando diversas fuentes iónicas , generalmente mediante alto voltaje o temperatura. Estas se utilizan en multitud de dispositivos, como espectrómetros de masas , espectrómetros de emisión óptica , aceleradores de partículas , implantadores de iones y motores iónicos .

Como partículas reactivas cargadas, también se utilizan en la purificación del aire al desestabilizar los microbios, y en artículos domésticos como los detectores de humo .

Dado que 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 utilizado 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

El efecto ionizante de la radiación sobre un gas se utiliza ampliamente para la detección de radiación como la alfa , la beta , la gamma y los rayos X. El evento de ionización original en estos instrumentos da como resultado la formación de un "par iónico": un ion positivo y un electrón libre, por el impacto de la radiación sobre las moléculas del gas. La cámara de ionización es el detector más simple de este tipo y recoge todas las cargas creadas por la ionización directa dentro del gas mediante la aplicación de un campo eléctrico. ^{[ 5 ]}

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 en cascada, por el cual el campo eléctrico proporciona a los electrones libres la energía suficiente para liberar más electrones por impacto iónico.

Química

Denotando el estado cargado

Al escribir la fórmula química de un ion ^{[ 20 ]} , 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 con carga doble se indica como 2+ en lugar de +2 . Sin embargo, la magnitud de la carga se omite para moléculas/átomos con carga simple; por ejemplo, el catión sodio se indica como Na ⁺ y no Na1 ⁺ .

Una forma alternativa (y aceptable) de representar una molécula o átomo con múltiples cargas es dibujando los símbolos varias veces; esto se observa con frecuencia en los metales de transición. En ocasiones, los químicos rodean el símbolo con un círculo; esto es meramente ornamental y no altera el significado químico. Por lo tanto, las tres representaciones de ^Fe²⁺^{, Fe²⁺ y Fe⊕⊕}^que se muestran en la figura son equivalentes.

Los iones monoatómicos a veces también se denotan con números romanos , particularmente en espectroscopia ; por ejemplo, el Fe²⁺ (doblemente cargado positivamente) que se muestra arriba se denomina Fe(III) , Fe ^{III o Fe III (Fe I para un átomo}^de Fe neutro, Fe II para un ion Fe ionizado una vez). El número romano designa el estado de oxidación formal de un elemento, mientras que los números indoarábigos en superíndice denotan la carga neta. Por lo tanto, ambas notaciones son intercambiables para iones monoatómicos, pero los números romanos no se pueden aplicar a iones poliatómicos. Sin embargo, es posible combinar 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 denomina ion radical . Al igual que los radicales neutros, 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 se centra formalmente en un átomo de carbono, se denomina carbocatión (si tiene carga positiva) o carbanión (si tiene carga negativa).

Formación

Formación de iones monoatómicos

Los iones monoatómicos se forman por la ganancia o pérdida de electrones en la capa de valencia (la capa electrónica más externa) de un átomo ^{[ 21 ]} . Las capas internas de un átomo están llenas de electrones que están fuertemente ligados al núcleo atómico con carga positiva , por lo que no participan en este tipo de interacción química. El proceso de ganancia o pérdida de electrones de un átomo o molécula neutra se denomina ionización .

Los átomos pueden ionizarse mediante bombardeo con radiación , pero el proceso de ionización más común en química es la transferencia de electrones entre átomos o moléculas. Esta transferencia suele producirse al alcanzar configuraciones electrónicas estables ("de capa cerrada") . Los átomos ganarán o perderán electrones según la acción que requiera menos energía.

Por ejemplo, un átomo de sodio , Na, tiene un solo electrón en su capa de valencia, que rodea dos capas internas estables y completas de 2 y 8 electrones. Dado que estas capas completas son muy estables, un átomo de sodio tiende a perder su electrón adicional y alcanzar esta configuración estable, convirtiéndose en un catión de sodio en el proceso.

{\ce {Na -> Na+ + e-}}

Por otro lado, un átomo de cloro , Cl, tiene 7 electrones en su capa de valencia, uno menos que la capa estable y completa de 8 electrones. Por lo tanto, un átomo de cloro tiende a ganar un electrón adicional y alcanzar una configuración electrónica estable de 8 electrones , convirtiéndose en un anión cloruro.

{\ce {Cl + e- -> Cl-}}

Esta fuerza impulsora es la que provoca la reacción química entre el sodio y el cloro, 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 conocido como sal de mesa.

{\ce {Na+ + Cl- -> NaCl}}

Formación de iones poliatómicos

Un mapa de potencial electrostático del ion nitrato ( NO − 3 ). La capa tridimensional representa un único isopotencial arbitrario .

Los iones poliatómicos y moleculares suelen formarse por la ganancia o pérdida de iones elementales, como un protón ( H ⁺ ), en moléculas neutras. Por ejemplo, cuando el amoníaco ( NH3 ₎ acepta un protón ( H ⁺ ) —un proceso llamado protonación— , forma el ion amonio ( NH4 + ) . El amoníaco y el amonio tienen el mismo número de electrones y prácticamente la misma configuración electrónica , pero el amonio tiene un protón adicional que le confiere una carga positiva neta.

El amoníaco también puede perder un electrón para adquirir una carga positiva, formando el ion NH₃⁺ . Sin embargo, este ion es inestable, ya que 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 se forman generalmente mediante la ganancia o pérdida de iones elementales como H ⁺ , en lugar de ganar o perder electrones. Esto permite que la molécula conserve su configuración electrónica estable al tiempo que adquiere una carga eléctrica.

Formación de iones en líquidos no polares

Los líquidos con una constante dieléctrica baja (inferior a 10) no son del todo adecuados para la formación de iones por varias razones. En primer lugar, la atracción electrostática entre el catión y el anión es mucho más fuerte que en el agua, lo que requiere una capa de solvatación bien desarrollada para evitar su reagregación inmediata. Sin embargo, las moléculas de líquidos no polares no pueden crear dicha capa debido a la falta de momentos dipolares. Además, muchos electrolitos no son solubles en líquidos no polares. No obstante, los trabajos pioneros de Onsager, Fuoss y Kraus en el siglo XX demostraron que la ionización en líquidos no polares es posible. ^{[ 22 ]}^{[ 23 ]}

Una serie reciente de estudios realizados por Dukhin y Parlia con una amplia variedad de líquidos y solutos confirmó esta conclusión y permitió formular el siguiente concepto para la ionización en líquidos no polares, que es distintivamente diferente de las soluciones acuosas. ^{[ 24 ]} La sustancia soluto debe ser anfifílica, compuesta por una cola hidrofóbica y una cabeza polar, para crear iones en un líquido no polar. La existencia de la cola hidrofóbica asegura la solubilidad. La existencia de la cabeza polar proporciona la fuente para la creación inicial de iones por disociación. La característica más peculiar es la formación de una capa de solvatación alrededor de los iones casi inmediatamente después de la disociación.

Las moléculas de disolvente no pueden formar tales capas de solvatación. Sin embargo, las moléculas neutras del soluto sí poseen momentos dipolares en sus cabezas polares. Estos dipolos serían atraídos por los iones primarios inmediatamente después de la disociación. Esta atracción crea una capa de moléculas neutras de soluto alrededor de los iones centrales, que puede considerarse una capa de solvatación. Dichos iones solvatados se asemejan a micelas inversas cargadas . ^{[ 25 ]} Básicamente, las moléculas anfifílicas de soluto en líquidos no polares son fuente tanto de disociación como de autosolvatación, lo que distingue drásticamente esta ionización de las soluciones acuosas.

Este concepto condujo a la creación de una teoría de conductividad (no acuosa) que se ajusta a los datos experimentales para una amplia variedad de sistemas no polares dentro de hasta 7 órdenes de magnitud. ^{[ 26 ]}

Potencial de ionización

La energía necesaria para extraer un electrón en su estado de energía más bajo de un átomo o molécula de gas con menor carga eléctrica neta se denomina potencial de ionización o energía de ionización . La energía de ionización n de un átomo es la energía necesaria para extraer su electrón n después de que los primeros n $- 1$ electrones ya se hayan extraído.

Cada energía de ionización sucesiva es notablemente mayor que la anterior. Los incrementos particularmente grandes 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 les dejen 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 más alta. ^[²⁷^] 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.

Enlace iónico

El enlace iónico es un tipo de enlace químico que surge de la atracción mutua entre iones de carga opuesta. Los iones de igual carga se repelen y los de carga opuesta se atraen. Por lo tanto, los iones no suelen existir de forma aislada, sino que se unen a iones de carga opuesta para formar una red cristalina . El compuesto resultante se denomina compuesto iónico y se dice que se mantiene unido por enlaces iónicos . En los compuestos iónicos, existen distancias características entre iones vecinos a partir de las cuales se pueden determinar la extensión espacial y el radio iónico de cada ion.

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 un pequeño número de electrones por encima de una configuración electrónica estable de capa cerrada . Por lo tanto, tienen la 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 con pocos electrones menos que una configuración estable. Por lo tanto, tienen la tendencia a ganar más electrones para alcanzar 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 de metal se transfieren a los átomos de no metal deficientes en electrones. Esta reacción produce cationes metálicos y aniones no metálicos, que se atraen entre sí para formar una sal .

iones comunes

Véase también

Referencias

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