أيون

ذرة هيدروجين (في الوسط) تحتوي پروتون واحد وإلكترون واحد. إزالة الإلكترون تعطي كاتيون (يسار)، بينما اضافة إلكترون تعطي أنيون (يمين). أنيون الهيدروجين، مع سحابة الإلكترونين الفضفاضة، لها قطر أكبر من قطر الذرة المتعادلة، التي بدورها هي أكبر بكثير من الپروتون المنفرد في الكاتيون. ويشكل الهيدروجين الكاتيون الوحيد الخالي من الإلكترونات، ولكن حتى الكاتيونات التي (على العكس من الهيدروجين) مازالت محتفظة بإلكترون واحد أو أكثر، فهي مازالت أصغر من الذرات أو الجزيئات المتعادلة التي قد اُشتـُقـّوا منها.

الايون بالإنجليزيةIon ، عبارة عن ذرة او مجموعة ذرات غير متعادلة من ناحية كهربائية، اي انها اكتسبت شحنة كهربائية بعد تفاعل كيميائي (اخذت او اعطت الكترونات لذرة او مجموعة ذرات اخرى) ويوجد ايضًا ايون على شكل مجموعة من الذرات وتسمى هذه المجموعة مجموعة ايونية، والايون نوعان:

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

التاريخ والاكتشاف

يعود الفضل إلى الكيميائي السويدي س.أ. أرِنيوس S.A.Arrhenius عام 1884، في إدخال مفهوم الأيون أو الشاردة. فقد بَّين أن إذابة ملح في الماء، أو تمديد الحموض والأسس بالماء، يحولها إلى أيونات، بحيث يمكنها أن تتحرك في وعاء فولطا كالمبيَّن في الشكل (1)، وبحيث تتجه الكاتيونات نحو المهبط والأنيونات نحو المصعد وهو مبدأ الكيمياء الكهربائيةelectrochemistry.[1]


أيون موجب (كاتيون)

تحلل الملح المذاب بالماء إلى إيونات موجبة (كاتيونات) تتجه نحو المهبط وإلى أيونات سالبة (أنيونات) تتجه نحو المصعد في وعاء فولطا.

وهو ذرة غير متعادلة كهربائيًا عدد البروتونات فيها اكبر من عدد الالكترونات اي ان الشحنة الموجبة في الذرة اعلى من الشحنة السالبة.يتكون الايون الموجب عن طريق خسارة الذرة للالكترونات (مقدار الشحنة الموجبةالتي تاخذها الذرة يتعلق بعدد الالكترونات التي تخسرها الذرة). فمثلاً اذا خسرت الذرة الكترونًا واحدًا بعد ان كانت حيادية(عدد الالكترونات = عدد البروتونات) فعدد البروتونات يصبح فيها اكبر من عدد الالكترونات بوحدة واحدة اي ان الذرة تشحن بشحنة موجبة(1+).

أيون سالب (انيون)

وهو ذرة غير متعادلة كهربائيًا عدد الالكترونات فيها اكبر من عدد البروتونات، اي ان الشحنة السالبة في الذرة اكبر من الشحنة الموجبة. مقدار الشحنة السالبة للذرة يتعلق بعدد الالكترونات التي تكتسبها الذرة، فمثلاً اذا اكتسبت الذرة الكترون واحد، فعدد الالكترونات يصبح فيها اكبر بوحدة واحدة من عدد البروتونات وبما ان شحنة الالكترون سالبة، اذن تشحن الذرة بشحنة(1-).

كيمياء

Equivalent notations for an iron atom (Fe) that lost two electrons.
Mixed Roman numerals and charge notations for the uranyl ion. The oxidation state of the metal is shown as superscripted Roman numerals, whereas the charge of the entire complex is shown by the angle symbol together with the magnitude and sign of the net charge.

تشكل الأيونات متعددة الذرات والجزيئية

خريطة الكمون الكهروستاتيكي لأيون نيترات (NO3). الغلاف ثلاثي الأبعاد يمثل isopotential مفرد عشوائي.

تقاس الطاقة اللازمة لتأيين ذرة غاز معتدلة بطرائق عديدة، وهي طاقة مميزة للغاز، وهي تراوح بين بضعة أجزاء من الإلكترون فولط، كما هو الحال في المعادن القلوية (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) و25 إلكترون فولط لذرة الهليوم. إن حرف الأيونات الموجبة في حقول كهربائية وأخرى مغنطيسية، يمكن من قياس النسبة بين شحنة الأيون q وكتلته M. وهذا هو مبدأ عمل المطياف الكتلوي.

كما يمكن تمييز الأيونات باستخدام طرائق التحليل الطيفي الضوئي؛ فالخطوط الطيفية الصادرة عن أيونات غاز ما، والتي تحدث لدى إثارتها في أنبوب انفراغ كهربائي، مميزة للغاز المدروس، وهي تختلف باختلاف عدد الإلكترونات التي تم انتزاعها من ذرات الغاز المعتدلة.

تؤدي الأيونات كذلك دوراً مهماً في الحالة الصلبة للمادة؛ إذ إنَّ معظم الأملاح توجد على هيئة بلورات؛ بمعنى أن ذراتها تصطف بشكل منتظم بحيث يجاور الأيونُ الموجبُ أيوناً سالباً وهكذا.

إنَّ الطاقة الكهراكدة لتآثر الأيونات بعضها مع بعض في البلورات الأيونية يفسر سبب تماسكها. كما أن انزياحات الأيونات عن مواضعها في تلك البلورات، وهي انزياحات ضئيلة ـ يجعلها غير ناقلة للكهرباء. وفي بعض الحالات، كما هو الحال في الكوارتز، تقود هذه الانزياحات إلى ظاهرة الكهرباء الضغطية (الكهرباء الإجهادية) Piezoelectr.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

تواجده

The remnant of "Tycho's Supernova", a huge ball of expanding plasma. The outer shell shown in blue is X-ray emission by high-speed electrons.

لا يقتصر وجود الأيونات أو الشوارد على السوائل، بل يتعداها إلى الأجسام الصلبة والغازات.

إذ يمكن لذرات الغاز أو جزيئاته أن تفقد إلكتروناً أو أكثر بإحدى الطرق الآتية:

1ـ إن وجود حقل كهربائي شديد في نهاية رأس مؤنَّف، مغذىً بجهد كهربائي عال، يؤين الهواء المجاور له؛ مما يجعل الرأس المؤنف يدفع الأيونات المماثلة له في الشحنة بعيداً عنه، كما هو واضح في الشكل (2). وهذا هو المبدأ الذي تعمل عليه وسيلة الحماية من الصواعق [ر: الصاعقة]، وهو المبدأ الذي يعتمد عليه عمل مسرع فان دي غراف van de graaff.

الشكل(2) يندفع لهب الشمعة بعيداُ عن رأس مؤلف موصول بمنبع ذي جهد كهربائي عال، وذلك لأن الحقل الكهربائي الشديد في جوار الرأس المؤنف يؤين جزيئات الهواء، فتندفع بعيداً عنه.

2ـ إن مرور جسيمات عالية الطاقة في غاز يؤين ذراته. ويمكن أن تكون هذه الجسيمات إلكترونات مولدة في أنبوب أشعة مهبطي، أو أن تكون إشعاعات α أو β أو γ صادرة عن مادة مشعة. إن تشكل هذه الأيونات في عداد غايغر - موللر، وما يتبعه من انفراغ فيه، يمهد الطريق لعد الأيونات إلكترونياً، كما أن تكاثف قطيرات الماء في حجرة ويلسن حول الأيونات يجعل مسارات الجسيمات التي ولَّدتها مرئية.

تتحول جميع ذرات العناصر وهي بالحالة الغازية، بما في ذلك ذرات الغازات الخاملة، إلى كاتيونات غازية بالانفراغ الكهربائي تحت ضغط منخفض. وتشكل بعض الذرات أنيونات غازية شحنتها -1. وتشكل الجزيئات أيضاً أيونات بفعل الانفراغ الكهربائي. فبالانفراغ الكهربائي في أنبوب مملوء بغاز الميتان CH4، تتشكَّل أيونات جزيئيَّة غازية مثل CH2+ CH1+ CH4+ CH3+ وأيونات ذرية مثل H+ ،C3+ ،C++ ، C.

ولبعض الذرات الغازية قدرة على ضم إلكترون إضافي مشكلة أيوناً سالباً مثل I- أو خسارة إلكترون مشكلة أيوناً موجباً مثل I+. وهنالك ذرات كثيرة لها ميل شديد لضم إلكترونات لها، أو لها ميل شديد للتخلي عن إلكترونات مما يجعل الأيونات السالبة أو الموجبة، المتشكلة شديدة الثبات حيث توجد في معظم مركبات هذه العناصر.

وأيون I- هو الأيون الوحيد الثابت في مركبات اليود. يطلق على هذا الأيون اسم «يوديد» وهو موجود في ضروب اليوديد التي تشكلها المعادن النشيطة كيمياوياً (الفعّالة). كما تشكل باقي الهالوجينات أنيونات وحيدة الشحنة مثل أيون الفلوريد F- وأيون الكلوريد Cl- وأيون البروميد Br-.

تميل الذرات المعتدلة للمعادن القلوية أن تتخلى عن الكتروناتها الخارجية، إذ تحوي الذرة المعتدلة إلكتروناً في الطبقة الخارجية ضعيف الارتباط، بحيث تتخلى الذرة عن هذا الإلكترون الضعيف الارتباط بوجود الهالوجين ذي الميل الشديد لضم إلكترون، فيخسر المعدن إلكترونه مشكّلاً أيوناً موجباً ذا شحنة قدرها +1. وهذه الكاتيونات التي توجد في جميع مركبات المعادن القلوية تقريباً هي: أيون الليثيوم Li+، وأيون الصوديوم Na+، وأيون البوتاسيوم K+، وأيون الروبيديوم Rb+، وأيون السيزيوم Cs+.

المعادن القلوية (وهي عناصر الفصيلة I من الجدول الدوري) أيوناتها ذات شحنة موجبة قدرها +1، لأنّ ذراتها تحوي إلكتروناً واحداً إضافة إلى بنية غاز خامل، ويمكن التخلي عن هذا الإلكترون بسهولة. وتشكل الهالوجينات، في الفصيلة VII من الجدول الدوري أيونات سالبة أحادية الشحنة، لأن ذرة العنصر فيها سبعة الكترونات في طبقتها الخارجية أي تحوي إلكتروناً واحداً أقل من ذرة غاز خامل ولذا ترتبط مع إلكترون بسهولة.

وبصورة مشابهة، فإن ذرات عناصر الفصيلة II من الجدول الدوري تخسر إلكترونين وتتشكل أيونات (Be++,Mg++ ,Ca++,Sr++, Ba++,Ra++) لها بنية غاز خامل.

وتشكل عناصر الفصيلة III أيونات ثلاثية الشحنة الموجبة، وعناصر المجموعة VI أيونات ثنائية الشحنة السالبة.

تتكوّن المركبات الأيونية بين المعادن الفعّالة، في الفصائل III, II, I واللامعادن ذات الكهرسلبية العالية، في الزاوية العليا إلى يمين الجدول الدوري.

إضافة إلى ذلك تتكون مركبات أيونية حاوية كاتيونات معادن فعّالة مع أنيونات الحموض، خاصة الحموض الأكسجينية. والحموض الأكسجينية الرئيسة هي: حمض الكربون H2CO3 وأيونه السالب هو الكربونات CO3-- وحمض السيليكون H4SiO4 وأيونه السالب هو السيليكات SiO44-، وحمض الآزوت HNO3 وأيونه السالب النترات NO3-، وحمض الفوسفور H3PO4 وأيونه السالب الفوسفات PO43-، وحمض الكبريت H2SO4 وأيونة السالب الكبريتات SO4-- وحمض الكبريت (IV) وأيونه السالب الكبريتيت SO3--، وحمض فوق الكلور HClO4 وأيونه السالب فوق الكلورات ClO4-، وحمض الكلور HClO3 وأيونه السالب الكلورات ClO3-.

3 ـ إن مرور الأشعة فوق البنفسجية في غاز يؤين ذراته، وتسمى ظاهرة التأيين هذه باسم التأيين الضوئي photoionization، وهي ظاهرة تحدث في الغلاف الجوي الخارجي على ارتفاع بضع مئات من الكيلومترات فوق سطح الأرض، في منطقة تسمى الغلاف الأيوني Ionosphere. حيث يكون الهواء هناك مخلخلاً، ويتأين بشدة بفعل الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس.

قائمة الأيونات الشائعة

Common Cations
الاسم الشائع الصيغة الاسم التاريخي
كاتيونات بسيطة
ألومنيوم Al3+
باريوم Ba2+
بريليوم Be2+
سيزيوم Cs+
كالسيوم Ca2+
كروم(II) Cr2+ Chromous
كروم(III) Cr3+ Chromic
كروم(VI) Cr6+ Chromyl
كوبالت(II) Co2+ Cobaltous
كوبالت(III) Co3+ Cobaltic
نحاس(I) Cu+ Cuprous
نحاس(II) Cu2+ Cupric
نحاس(III) Cu3+
گاليوم Ga3+
هليوم He2+ (جسيم ألفا)
هيدروجين H+ (پروتون)
حديد(II) Fe2+ Ferrous
حديد(III) Fe3+ Ferric
حديد(II) Pb2+ Plumbous
رصاص(IV) Pb4+ Plumbic
لثيوم Li+
مغنسيوم Mg2+
منگنيز(II) Mn2+ Manganous
منگنيز(III) Mn3+ Manganic
منگنيز(IV) Mn4+ Manganyl
منگنيز(VII) Mn7+
زئبق(II) Hg2+ Mercuric
نيكل(II) Ni2+ Nickelous
نيكل(III) Ni3+ Nickelic
پوتاسيوم K+
فضة Ag+
صوديوم Na+
Strontium Sr2+
Tin(II) Sn2+ Stannous
Tin(IV) Sn4+ Stannic
زنك Zn2+
كاتيونات عديدة الذرات
أمونيوم NH4+
هيدرونيوم H3O+
نيترونيوم NO2+
زئبق(I) Hg22+ Mercurous
الأنيونات الشائعة
الاسم الرسمي الصيغة اسم بديل
الأنيونات البسيطة
أرسنيد As3−
أزيد N3
بروميد Br
كلوريد Cl
فلوريد F
هيدريد H
يوديد I
نيتريد N3−
أكسيد O2−
فوسفيد P3−
كبريتيد S2−
پروكسيد O22−
Oxoanions
Arsenate AsO43−
Arsenite AsO33−
Borate BO33−
Bromate BrO3
Hypobromite BrO
Carbonate CO32−
كربونات الهيدروجين HCO3 بيكربونات
هيدروكسيد OH
كلورات ClO3
Perchlorate ClO4
Chlorite ClO2
Hypochlorite ClO
Chromate CrO42−
Dichromate Cr2O72−
Iodate IO3
Nitrate NO3
Nitrite NO2
Phosphate PO43−
Hydrogen phosphate HPO42−
Dihydrogen phosphate H2PO4
Permanganate MnO4
Phosphite PO33−
Sulfate SO42−
Thiosulfate S2O32−
كبريتات الهيدروجين HSO4 Bisulfate
Sulfite SO32−
Hydrogen sulfite HSO3 Bisulfite
أنيونات من أحماض عضوية
Acetate C2H3O2
Formate HCO2
Oxalate C2O42−
Hydrogen oxalate HC2O4 Bioxalate
أنيونات أخرى
Hydrogen sulfide HS Bisulfide
Telluride Te2−
Amide NH2
سيانات OCN
Thiocyanate SCN
سيانيد CN


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

انظر أيضاً

الهامش

  1. ^ أحمد حصري، هيام بيرقدار. "الشاردة". الموسوعة العربية. Retrieved 2012-04-14.

وصلات خارجية

  • Department of Education, Newfoundland and Labrador-Canada "Periodic Chart of IonsPDF (70.9 KiB)". A Periodic table reporting ionic charges for every chemical element.