Fa_flag   En_flag
company1
company2
company3
company0
علوم پایه

لیست آنیون ها و کاتیون ها در شیمی

آنیون ها و کاتیون ها در شیمی به عنوان ترکیبات یونی تعریف می شوند که با گرفتن و یا از دست دادن الکترون تشکیل می شوند. اتم خنثی به اتم هایی گفته می شود که در هسته خود، تعداد الکترون و پروتون های برابری داشته باشند. اما در صورت به هم خوردن تعادل و توازن بین الکترون ها و پروتون ها، بار الکتریکی در اتم ها ایجاد شده و آنیون ها و کاتیون ها در شیمی ساخته می شوند. در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک علاوه بر این که لیست آنیون ها و کاتیون ها در شیمی بیان می شود، خواص و ویژگی های این یون ها نیز تعریف می شود.

اتم چیست؟

به کوچک ترین واحد سازنده عناصر شیمیایی، اتم گفته می شود. اتم ها به عنوان نمایش دهنده هویت عنصر هستند. اتم ها خود از ذرات ریزتری تشکیل شده اند ولی نوع و رفتار هر عنصر شیمیایی توسط اتم های آن تعیین می شود. تمام مواد و عناصری که در جهان وجود دارد (جامد، مایع، گاز و یا پلاسما)، از اتم های طبیعی یا یونیده تشکیل شده اند. اتم ها هم می توانند به صورت مستقل و جدا باشند و هم می توانند به صورت مرکب و در ترکیب با اتم های دیگر باشند. اتم ها در ترکیب با هم، مولکول ها را تشکیل می دهند.

همان طور که گفته شد، خواص هر عنصر را اتم های آن تعیین می کند. به عنوان مثال، اکسیژن از اتم های اکسیژن تشکیل شده است. دو عنصر متفاوت، دارای اتم های متفاوتی هستند. به عنوان مثال، عنصر اکسیژن متفاوت از عنصر هیدروژن است، زیرا دارای اتم های متفاوتی است.

اتم چیست؟
اتم چیست؟

ساختار اتم

یک اتم از دو بخش هسته و ابرالکترونی تشکیل شده است. ذرات تشکیل دهنده هسته اتم، پروتون دارای بار مثبت و نوترون بدون بار است. ابرالکترونی به دور هسته در حال چرخش هستند. با تشبیه اتم به منظومه شمسی، می توان گفت، الکترون ها به دور هسته در مدارهای مشخصی در حال چرخش هستند. یک اتم در حالت خنثی، تعداد الکترون ها و پروتون های یکسانی داشته و در نتیجه فاقد بار الکتریکی است.

در هسته، ذرات پروتون و نوترون با نیروی هسته ای در کنار یکدیگر قرار دارند که بسیار قوی تر از نیروی الکتروستاتیکی است که باعث حفظ الکترون ها به دور هسته می شود. بیشتر از ۹۹,۹ درصد جرم اتم در هسته آن متمرکز است. با این که اندازه آن یک ده هزارم اندازه اتم است.

الکترون ها با بار منفی در مدارهایی به دور هسته در گردش هستند. بین پروتون های هسته و الکترون های اطراف هسته، نیروی جاذبه وجود دارد که مایل به مرکز عمل می کند. نیروی جاذبه در الکترون های نزدیک هسته بیشتر بوده و جدا کردن آن ها سخت تر از الکترون هایی است که دورتر از هسته هستند.

یون چیست؟

به طور کلی، یک ذره، اتم یا مولکولی که دارای تعادل بار الکتریکی نباشد، یون نامیده می شود. به عبارتی، یون ها تعداد پروتون ها و الکترون هایی برابری نداشته و بار الکتریکی خالص مثبت یا منفی دارند. با توجه به این تعریف، یون ها به دو دسته کاتیون ها و آنیون ها تقسیم می شوند. کاتیون ها، یون هایی با تعداد پروتون بیشتر نسبت به الکترون ها بوده و بار مثبت دارند. آنیون ها تعداد الکترون های بیشتری داشته و بار الکتریکی منفی دارند.

یون چیست؟
یون چیست؟

کاتیون

وقتی یک ذره خنثی، یک یا تعداد بیشتری الکترون از دست می دهد، دارای بار مثبت به همان تعداد می شود. در این صورت، تعداد پروتون بیشتری نسبت به الکترون در این ذره وجود خواهد داشت. الکترون یا الکترون های از دست رفته توسط اتم دیگری که الکترون خواهی بیشتری دارند، جذب خواهد شد. تعداد بار مثبت را روی نماد شیمیایی عنصر نشان می دهند. به عنوان مثال وقتی سدیم یک الکترون از دست می دهد، به کاتیون Na+ تبدیل می شود. اگر منیزیم دو الکترون از دست دهد به کاتیون Mg۲+ تبدیل می شود.

علت تشکیل کاتیون ها، رسیدن به آرایش پایدار است. ذرات در این شرایط به تعدادی الکترون از دست می دهند که به آرایش هشتایی در لایه ظرفیت خود برسند. این ذرات از دست دادن تعداد کمی الکترون را به گرفتن تعداد زیادی الکترون ترجیح می دهند. همان طور که در مثال بالا نیز مشخص است بیشتر فلزات قلیایی و فلزات قلیایی خاکی، کاتیون تشکیل می دهند.

آنیون

وقتی ذره خنثی یک یا چند الکترون جذب می کند به تعداد الکترون های گرفته شده، دارای بار الکتریکی منفی می شود. این ذرات که آنیون نامیده می شود، تعداد الکترون های بیشتری نسبت به پروتون ها در هسته خود دارند. الکترون هایی که توسط این ذرات جذب شده است، از اتم هایی با میزان الکترون خواهی کمتر به دست آمده است. تعداد بار منفی روی نماد شیمیایی ذره نشان داده می شود. به عنوان مثال، برم با گرفتن یک الکترون، تشکیل آنیون Br می دهد. یا اگر اکسیژن دو الکترون بگیرد به O۲- تبدیل می شود.

آنیون ها از ذراتی تشکیل می شود که برای رسیدن به آرایش پایدار هشتایی خود، به تعدادی کمی الکترون نیاز دارند. در نتیجه این الکترون ها را برای تکمیل لایه ظرفیت خود دریافت می کنند. بیشتر، عناصر غیرفلزی مانند هالوژن ها، گوگرد و … که الکترونگاتیو هستند، تمایل به گرفتن الکترون برای پر کردن لایه ظرفیت خود دارند.

نکته

برخی از عناصر جدول تناوبی با توجه به شرایط می توانند هم آنیون و هم کاتیون تشکیل دهند. به عنوان مثال، هیدروژن از این دست عناصر است. هیدروژن با از دست دادن الکترون به کاتیون H+ و با گرفتن الکترون به آنیون H تبدیل می شود.

همچنین عناصری در جدول تناوبی به نام گازهای نجیب و بی اثر هستند که هیچ تمایلی به از دست دادن و یا گرفتن الکترون ندارند. این عناصر که گروه ۱۸ جدول را تشکیل می دهند، واکنش پذیر نیستند.

تاریخچه واژه های آنیون و کاتیون

اولین بار از دو واژه ی آنیون و کاتیون در دهه ۱۸۳۰ و در زبان انگلیسی استفاده شد. مایکل فارادی، فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی در سال ۱۸۳۴، اولین بار این اصطلاح (یون) را به کار برد. او این اصطلاح را برای گونه های استفاده کرد که انتقال یک الکترود را از یک محیط آبی به الکترود دیگر انجام می داد. اما واژه های آنیون و کاتیون اولین بار توسط فارادی و ویول به کار برده شدند. کلمه آنیون از واژه ی یونانی ano گرفته شده است که بالا معنی می شود. کاتیون نیز از واژه ی یونانی کاتا توسط این دانشمندان انتخاب شده است که پایین معنا می دهد.

تشکیل یون های تک اتمی

قبل از این که لیست آنیون ها و کاتیون ها در شیمی بیان کنیم، بهتر است به این نکته اشاره کنیم که برخی از یون ها تک بار و برخی دیگر چند بار الکتریکی دارند. به عنوان مثال سدیم، کاتیون یک بار مثبت و منیزیم کاتیون دو بار مثبت تشکیل می دهد.

با حذف و یا گرفتن الکترون در لایه ظرفیت، یون ها تشکیل می شوند. الکترون هایی که در لایه های داخلی وجود دارند، تحت تاثیر جاذبه هسته قرار داشته و از اتم جدا نمی شوند. به عبارتی این الکترون های داخلی در واکنش های شیمیایی شرکت نمی کنند. اما الکترون های لایه ظرفیت به شدت واکنش پذیر هستند. فرایند گرفتن و یا از دست دادن الکترون از لایه ظرفیت، یونش نامیده می شود. فرایند بمباران نیز برای یونیزه کردن اتم ها به کار برده می شود. انتقال الکترون نیز روشی برای تشکیل آنیون ها و کاتیون هاست.

تشکیل یون های تک اتمی
تشکیل یون های تک اتمی

در ادامه

یون های تک اتمی، یون هایی هستند که در نتیجه گرفتن یا از دست دادن و یا انتقال یک الکترون تشکیل شده اند. سدیم در لایه های داخلی خود ۲ و ۸ الکترون و در لایه ظرفیت خود، یک الکترون دارد. وقتی این اتم یک الکترون لایه ظرفیت خود را از دست می دهد، آرایشی مشابه با گاز نجیب نئون را پیدا می کند که آرایشی پایدار است. کاتیون سدیم یک یون تک اتمی است. برای این اتم از دست دادن یک الکترون بسیار راحت تر از گرفتن ۷ الکترون است.

کلر عنصری از دست هالوژن ها با تعداد الکترون های داخلی ۲ و ۸ و تعداد الکترون های ۷ در لایه ظرفیت خود است. پس گرفتن یک الکترون برای این اتم راحت تر از دست دادن ۷ الکترون بوده و تشکیل آنیون تک اتمی Cl را می دهد.

کاتیون سدیم و آنیون کلر تشکیل شده می تواند با هم پیوند یونی برقرار کرده و تشکیل ترکیب جدیدی به نام نمک طعام را دهند.

یون ها و مولکول های چند اتمی

تا اینجا درباره اتم ها و ذرات منفرد بحث شد. اما کاتیون ها و آنیون ها می توانند در یون ها و مولکول های چند اتمی نیز تشکیل شوند. به عنوان مثال ذرات چند اتمی می توانند با مبادله (گرفتن و یا از دست دادن)، یون های عنصری چون H+ تشکیل شوند. به عنوان مثال، آمونیک یک H+ را گرفته و تشکیل کاتیون آمونیوم (NH۴+) را می دهد. آرایش الکترونی آمونیاک و کاتیون آمونیوم یکی بوده و تعداد الکترون یکی دارند. در صورتی که کاتیون آمونیوم یک پروتون اضافه دارد که باعث ایجاد بار مثبت می شود.

لیست آنیون ها و کاتیون ها در شیمی

بعد از این که با چگونگی تشکیل کاتیون ها و آنیون ها در شیمی آشنا شدیم، لیستی از این یون ها را بیان می کنیم.

برخی از کاتیون ها در علم شیمی

لیتیم (Li+)، سدیم (Na+)، پتاسیم (K+)، روبیدیوم (Rb+)، سزیم (Cs+)، آمونیوم (NH۴+)، مس (I) (Cu+)، نقره (Ag+)، جیوه (I) (Hg۲۲+)، منیزیم (Mg۲+)، کلسیم (Ca۲+)، استرانسیم (Sr۲+)، باریم (Ba۲+)، تیتانیوم (II) (Ti۲+)، کروم (II) (Cr۲+)، منگنز (II) (Mn۲+)، آهن (II) (Fe۲+)، کبالت (II) (Co۲+)، نیکل (II) (Ni۲+)، مس (II) (Cu۲+)، روی (Zn۲+)، قلع (II) (Sn۲+)، سرب (II) (Pb۲+)، کادمیوم (Cd۲+)، جیوه (II) (Hg+)، اسکاندیوم (Sc۲+)، وانادیوم (V۳+)، کروم (III) (Cr۳+)، منگنز (III) (Mn۳+)، آهن (III) (Fe۳+)، کبالت (III) (Co۳+)، آلومینیوم (Al۳+)، گالیم (Ga۳+)، بیسموت (Bi۳+)، قلع (IV) (Sn۴+) و سرب (IV) (Pb۴+)، لیستی از کاتیون های عناصر شیمیایی است.

برخی از آنیون ها در علم شیمی

هیدرید (H)، فلوئورید (Fe)، کلرید (Cl)، برمید (Br)، یدید (I)، هیپوکلریت (ClO)، کلریت (ClO۲)، کلرات (ClO۳)، پرکلرات (ClO۴)، پربرومات (BrO۴)، یدات (IO۳)، هیدروکسید (OH)، سیانید (CN)، هیدروژن سیانید (HS)، هیدروژن کربنات (HCO۳)، نیتریت (NO۲)، نیترات (NO۳)، دی هیدروژن فسفات (H۲PO۴)، دی هیدروژن فسفیت (H۲PO۳)، دی هیدروژن هیپو فسفیت (H۲PO۲)، هیدروژن فسفات (HSO۴)، پرمنگنات (MnO۴)، فرمات (HCOO)، استات (CH۳COO) و بنزوآت (C۶H۵COO) از آنیون ها هستند.

مثال های دیگر متوکسی (CH۳O)، اتوکسی (C۲H۵O)، آزید (N۳)، اکسید (O۲-)، سولفید (S۲-)، پراکسید (O۲۲-)، کربنات (CO۳۲-)، هیدروژن فسفات (HPO۴۲-)، هیدروژن فسفیت (HPO۳۲-)، سولفیت (SO۳۲-)، سولفات (SO۴۲-)، منگنات (MnO۴۲-)، اگزالات (اکسالات) (C۲O۴۲-)، دی کرومات (Cr۲O۷۲-)، نیترید (N۳-)، فسفید (P۳-)، آرسنید (As۳-)، فسفات (PO۴۳-) و آرسنات (AsO۴۳-)، لیستی از آنیون هاست.

آنیون ها و کاتیون ها در شیمی و الکتروشیمی

یکی از مهمترین بهره مندی از تشکیل آنیون ها و کاتیون ها در علم شیمی در مبحثی به نام الکتروشیمی است. همچنین از این خاصیت در کروماتوگرافی تبادل یونی نیز استفاده می شود. در این فرایند، مولکول ها با کمک فاز ساکن از هم جداسازی می شوند. اما در الکتروشیمی و عملکرد باتری ها، آنیون ها و کاتیون ها نقش اصلی را دارند.

دو الکترود رسانا به نام های کاتد و آند در باتری ها وجود دارد که کاتد به عنوان بخش مثبت الکترود و آند، بخش منفی آن است. بین دو الکترود، مایع الکترولیت وجود دارد و یون ها باردار در آن هستند. الکترولیت می تواند به صورت ژل نیز باشد.

در فرایند الکتروشیمی، واکنش بین الکترودها و الکترولیت ها، باعث ایجاد جریان الکتریکی می شود. یکی از این کاربردها در باتری های خشک است که آند، عنصر روی بوده و کاتد، دی اکسید منگنز است.

در باتری های روی – کادمیوم نیز، روی همان عنصر تشکیل دهنده محفظه باتری است. این عنصر با گذشت زمان اکسایش یافته و باعث خروج مواد از داخل به بیرون می شود. از باتری های دیگری که در آن ها از وجود یون ها استفاده می شود، باتری های لیتیوم- یونی است. در این باتری ها که قابل شارژ هستند، فرایند شیمیایی مذکور برگشت پذیر بوده و شارژ دوباره باتری را سبب می شود. یکی از اهداف دانشمندان که با استفاده از خواص یونی امکان پذیر است، تولید برق از منبعی سبز است. این منبع با ترکیب آب شور و شیرین تامین می شود، زیرا آب شور دارای خواص یونی است.

خواص یونی در تصفیه آب

خواص یونی در حال حاضر در صنایع بسیاری به کار برده می شود. به عنوان مثال در صنعت تصفیه آب، از خواص رزین های سختی گیر، صنایع باتری سازی، جداسازی فلزات و … استفاده می شود.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

دکمه بازگشت به بالا