آنیون ها و کاتیون ها

برای درک کامل مفهوم آنیون ها و کاتیون ها باید با ساختار اتم و ذرات زیر اتمی آشنا شویم در ادامه به صورت خلاصه با ذرات زیر اتمی می پردازیم. اتم به عنوان کوچک ترین واحد ماده تعریف می شود و دارای ذرات زیر اتمی پروتون، نوترون، الکترون می باشد.

• پروتون ها: ذرات با بار مثبت هستند.
• نوترون ها: ذرات خنثی هستند.
• الکترون ها: ذرات با بار منفی هستند که در مدارهای خارج از هسته وجود دارند.

زمانی که در درون یک اتم تعداد پروتن ها با تعداد الکترون ها برابر باشد اتم خنثی می باشد. یعنی برای خنثی بودن اتم به ازای هر بار منفی باید یک بار مثبت وجود داشته باشد تا اتم در حالت تعادل(یعنی خنثی) قرار گیرد. در برخی موارد تعداد الکترون ها با تعداد پروتن ها برابری نمی کند وباعث ایجاد عدم تعادل در بار اتم و در نتیجه تشکیل یون می گردد.

همانطور که اشاره شد به طور معمول یک اتم دارای بار صفر است ولی در صورت به دست آوردن الکترون(آنیون) وبالعکس با از دست دادن الکترون(کاتیون) می شود.

واژه های کاتیون و آنیون از کجا آمده اند؟

اولین سوابق موجود از استفاده کلمات کاتیون و آنیون در زبان انگلیسی به دهه ۱۸۳۰ مربوط می گردد. اصطلاح “یون” اولین بار توسط مایکل فارادی، فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی، در سال 1834 استفاده شد. مایکل فارادی این اصطلاح را برای گونه هایی به کار برد که یک الکترود را از طریق یک محیط آبی به الکترود دیگر منتقل می کردند. اصطلاحات «آنیون» و «کاتیون» نیز توسط فارادی و ویول ابداع شده‌اند. آنها کلمه آنیون را از کلمه یونانی ano به معنای بالا انتخاب کردند و کلمه کاتیون را از کلمه یونانی کاتا برگزیدند که به معنای “پایین” است.

به یاد داشته باشید: تعداد الکترون های یک اتم کاهش می یابد و در نتیجه بار مثبت ایجاد می شود. وتعداد الکترون های یک آنیون افزایش یافته و در نتیجه بار منفی ایجاد می گردد.

یون چیست؟

کلمه یون از کلمه یونانی ἰόν ion به معنای «رفتن» گرفته شده است. یون یک ذره، اتم یا مولکول با عدم تعادل بار الکتریکی است. یون را می توان به عنوان اتم یا مولکولی که بار الکتریکی خالص دارد تعریف کرد. در اتمی که، تعداد الکترون‌ ها و پروتون‌ ها برابر هستند، اتم دارای بار صفر یا خنثی می باشد .در حالی که در یون ها تعداد الکترون‌ها با تعداد پروتون‌ها برابر نیست و به طور کلی دارای بار الکتریکی خالص مثبت یا منفی می‌ باشند. یون ها بر اساس نوع بار که دارند به دو دسته کاتیون ها و آنیون ها تقسیم می شوند. اگر گونه شیمیایی پروتون بیشتری نسبت به الکترون داشته باشد، حامل بار مثبت خالص است (یون کاتیون). واگر تعداد الکترون ها از پروتون ها بیشتر باشد، گونه دارای بار منفی است(یون آنیون). در ادامه با مجموعه هوبارت شیمی همراه باشید تا به طور کامل به کاتیون ها و آنیون ها بپردازیم.

• کاتیون ها: یون های دارای بار مثبت (+) هستند. بار های مثبت آنها به این دلیل می باشد که تعداد پروتون های اتم از تعداد الکترون ها بیشتر است. و این اتفاق زمانی که اتم ختثی یک یا چند الکترون از دست بدهد رخ می دهد.
• آنیون ها : یون هایی دارای بار منفی (-) هستند. بار منفی آنها از این واقعیت ناشی می شود که الکترون آنها بیشتر از تعداد پروتون است. آنها زمانی تشکیل می شوند که یک اتم خنثی یک یا چند الکترون به دست آورد.

کاتیون ها

همانطور که گفته شد کاتیون ها ذراتی دارای بار مثبت هستند کاتیون ها زمانی تشکیل می شوند که یک اتم یک یا چند الکترون را برای دستیابی به پایداری الکترونی هشت ظرفیتی در بیرونی‌ترین لایه ظرفیت خود، چند الکترون رها کند. اتم هایی که به کاتیون تبدیل می شوند اتم هایی هستند که، از دست دادن تعداد کمی الکترون برایشان راحت تر از به دست آوردن عناصر اضافی برای تشکیل لایه کامل است. بنابراین آنها بیش از آنکه الکترون‌های جدید را بگیرند، الکترون‌های ظرفیت را رها می‌کنند.

بیشتر فلزات، به ویژه فلزات قلیایی مانند کلسیم، روبیدیم، پتاسیم، سدیم و لیتیوم الکترومثبت هستند و بنابراین تمایل به تبدیل شدن به کاتیون دارند.

به عنوان مثال، سدیم یک الکترون ظرفیتی و در مجموع 11 الکترون دارد که با 11 پروتون آن مطابقت دارد. بنابراین، برای تثبیت، سدیم الکترون تک ظرفیتی خود را رها می کند. هنگامی که این کار را انجام می دهد، دارای 10 الکترون و 11 پروتون است که آن را به یک کاتیون با بار مثبت تبدیل می نماید که با نام Na + مشخص می شود.

آنیون ها

آنیون ها بر خلاف کاتیون ها ذراتی با بار منفی می باشند. آنیون ها زمانی تشکیل می شوند که اتم یک یا چند الکترون را برای تکمیل لایه ظرفیت خود می گیرد. رایج‌ترین اتم‌هایی که به آنیون تبدیل می‌شوند عناصر غیرفلزی مانند اکسیژن، گوگرد، فلوراید یا کلر می باشند که معمولا الکترونگاتیو هستند.

به عنوان مثال، کلر در حالت خنثی دارای هفت الکترون در لایه ظرفیت و 17 الکترون برای مطابقت با 17 پروتون خود است. کلر برای تثبیت لایه ظرفیت خود، به دنبال یک الکترون ظرفیت می باشد و هنگامی که یک الکترون می گیرد در واقع تبدیل به یک آنیون می گردد که با علامت Cl –  نمایش داده می شود.

کاتیون ها و آنیون ها چگونه تشکیل می شوند؟

یون ها زمانی تشکیل می شوند که دو اتم با یکدیگر تماس پیدا می کنند و با یکدیگر پیوند می خورند و ترکیب پایدارتری را تشکیل می دهند. همانطور که گفته شد اتم ها از پروتون های با بار مثبت، نوترون های خنثی و الکترون های با بار منفی تشکیل شده اند. در حالی که پروتون ‌ها و نوترون‌ ها در مرکز یا هسته اتم قرار دارند، الکترون‌ های یک اتم در واقع در اطراف بیرون هسته در یک «ابر الکترونی» می‌چرخند.

انواع اتم ها دارای سطوح الکترون های دوار هستند که در واقع لایه های ظرفیت اتم ها را تشکیل می دهد. الکترون‌هایی که در بیرونی‌ترین سطح اتم قرار دارند، «الکترون‌های ظرفیت» نامیده می‌ شوند والکترون های موجود در این لایه در واقع الکترون‌ه هستند که در واکنش‌های شیمیایی نقش دارند که یکی از محصولات جانبی آن تشکیل کاتیون‌ها و آنیون‌ها است.

ذرات باردار زمانی تشکیل می شوند که یک فلز برای رسیدن به آرایش الکترونی هشتایی الکترون های خود را از دست می دهد و نافلزات برای تکمیل لایه ظرفیت خود آن الکترون ها را به دست می آورند در نتیجه جاذبه الکترواستاتیکی بین مثبت و منفی ذرات را به یکدیگر جذب می کند و یک ترکیب یونی چون کلرید سدیم ایجاد می کند.

اینکه آیا عناصر به دنبال تثبیت با به دست آوردن یا از دست دادن الکترون هستند بستگی به تعداد الکترون های ظرفیت آنها دارد. اما به طور کلی عناصر نمی توانند بیش از سه الکترون ظرفیتی را از دست بدهند یا به دست آورند.

استفاده از خواص یونی در تصفیه آب

شیمیدانان می توانند از خواص یونی برای اهداف مختلفی استفاده کنند. برای مثال ، کروماتوگرافی تبادل یونی متکی به میل ترکیبی مولکول‌هایی است که برای فاز ساکن بر اساس ویژگی‌های بارشان جدا می‌شوند تا جداسازی را امکان‌پذیر کند.

امروزه از خواص یونی مواده دربسیاری از صنایع استفاده می گردد چون صنایع تصفیه آب با بهره گیری از خواص رزین های سختی گیر،صنایع باتری سازی، جداسازی فلزات و… از خواص یونی مواد به خوبی استفاده می کنند.