İyon
Bir iyon (/ˈaɪ.ɒn, -ən/) net elektrik yüküne sahip bir atom veya moleküldür. ⓘ
Bir elektronun yükünün geleneksel olarak negatif olduğu kabul edilir ve bu yük, geleneksel olarak pozitif olduğu kabul edilen bir protonun yüküne eşit ve zıttır. Bir iyonun net yükü sıfır değildir çünkü toplam elektron sayısı toplam proton sayısına eşit değildir. ⓘ
Bir katyon, protonlardan daha az elektrona sahip pozitif yüklü bir iyon iken, bir anyon protonlardan daha fazla elektrona sahip negatif yüklü bir iyon. Zıt elektrik yükleri elektrostatik kuvvetle birbirlerine doğru çekilirler, bu nedenle katyonlar ve anyonlar birbirlerini çekerler ve kolayca iyonik bileşikler oluştururlar. ⓘ
Sadece tek bir atomdan oluşan iyonlar atomik veya monatomik iyonlar olarak adlandırılırken, iki veya daha fazla atom moleküler iyonları veya poliatomik iyonları oluşturur. Bir akışkanda (gaz veya sıvı) fiziksel iyonizasyon söz konusu olduğunda, "iyon çiftleri" kendiliğinden oluşan molekül çarpışmalarıyla meydana gelir ve oluşan her çift serbest bir elektron ve pozitif bir iyondan oluşur. İyonlar ayrıca, bir tuzun sıvılarda çözünmesi gibi kimyasal etkileşimlerle veya iletken bir çözeltiden doğru akım geçirilmesi, iyonizasyon yoluyla bir anodun çözünmesi gibi başka yollarla da oluşturulur. ⓘ
Örnek olarak;
- H+ (1 elektron vermiş atom)
- OH– (1 elektron almış atom grubu)
- (SO4)2– (2 elektron almış atom grubu) ⓘ
 | Fiziksel kimya ile ilgili bu madde taslak seviyesindedir. Madde içeriğini genişleterek Vikipedi'ye katkı sağlayabilirsiniz. ⓘ |
Keşif tarihi
İyon kelimesi Yunanca "gitmek" anlamına gelen ienai (Yunanca: ἰέναι) kelimesinin nötr şimdiki zaman ortacından türetilmiştir. Bir katyon aşağı doğru hareket eden bir şeydir (Yunanca: κάτω kato olarak telaffuz edilir, "aşağı" anlamına gelir) ve bir anyon yukarı doğru hareket eden bir şeydir (Yunanca: ano ἄνω, "yukarı" anlamına gelir). İyonlar zıt yüklü elektroda doğru hareket ettikleri için böyle adlandırılırlar. Bu terim (İngiliz polimat William Whewell'in önerisi üzerine) 1834 yılında İngiliz fizikçi ve kimyager Michael Faraday tarafından sulu bir ortamda bir elektrottan diğerine geçen ve o zamanlar bilinmeyen türler için kullanılmaya başlanmıştır. Faraday bu türlerin doğasını bilmiyordu, ancak metaller bir elektrotta çözünüp çözeltiye girdiğine ve diğer elektrottaki çözeltiden yeni metal çıktığına göre; bir tür maddenin çözelti boyunca bir akım halinde hareket ettiğini biliyordu. Bu, maddeyi bir yerden diğerine taşır. Whewell, Faraday ile yazışarak anot ve katot kelimelerinin yanı sıra ilgili elektrotlara çekilen iyonlar olarak anyon ve katyon kelimelerini de icat etmiştir. ⓘ
Svante Arrhenius, 1884 tarihli tezinde, katı kristal tuzların çözündüklerinde çift yüklü parçacıklara ayrıştığı gerçeğinin açıklamasını ortaya koymuş ve bu açıklamasıyla 1903 Nobel Kimya Ödülü'nü kazanmıştır. Arrhenius'un açıklaması, bir çözelti oluştururken tuzun Faraday'ın iyonlarına ayrışmasıydı, iyonların elektrik akımı yokken bile oluştuğunu öne sürdü. ⓘ
Özellikler
Gaz halindeki iyonlar oldukça reaktiftir ve zıt yüklü iyonlarla hızla etkileşime girerek nötr moleküller veya iyonik tuzlar oluştururlar. İyonlar ayrıca sıvı veya katı haldeyken tuzlar çözücülerle (örneğin su) etkileşime girdiğinde, iyonlar sıvıyla etkileşime girmek için birbirlerinden uzaklaştıkça enerji ve entropi değişikliklerinin bir kombinasyonunu içeren nedenlerden dolayı daha kararlı olan çözünmüş iyonlar üretmek için üretilir. Bu stabilize türler düşük sıcaklıklarda çevrede daha yaygın olarak bulunur. Yaygın bir örnek, deniz suyunda bulunan ve çözünmüş tuzlardan türetilen iyonlardır. ⓘ
Yüklü nesneler olarak iyonlar, zıt elektrik yüklerini (pozitiften negatife ve tersi) çeker ve benzer yükler tarafından itilir. Hareket ettiklerinde, yörüngeleri bir manyetik alan tarafından saptırılabilir. ⓘ
Elektronlar, daha küçük kütleleri ve dolayısıyla madde dalgaları olarak daha büyük alan doldurma özellikleri nedeniyle, herhangi bir elektrona sahip olan atomların ve moleküllerin boyutunu belirler. Bu nedenle, anyonlar (negatif yüklü iyonlar) ana molekül veya atomdan daha büyüktür, çünkü fazla elektron(lar) birbirini iter ve iyonun fiziksel boyutuna katkıda bulunur, çünkü boyutu elektron bulutu tarafından belirlenir. Katyonlar, elektron bulutunun daha küçük olması nedeniyle ilgili ana atom veya molekülden daha küçüktür. Belirli bir katyon (hidrojen katyonu) elektron içermez ve bu nedenle tek bir protondan oluşur - ana hidrojen atomundan çok daha küçüktür. ⓘ
Anyonlar ve katyonlar
Bir proton üzerindeki elektrik yükü bir elektron üzerindeki yüke eşit büyüklükte olduğundan, bir iyon üzerindeki net elektrik yükü, iyon içindeki proton sayısı eksi elektron sayısına eşittir. ⓘ
Bir anyon (-) (/ˈænˌaɪ.ən/ ANN-eye-ən, Yunanca ἄνω (ánō) kelimesinden, "yukarı" anlamına gelir) protonlardan daha fazla elektrona sahip bir iyon olup net negatif yük verir (elektronlar negatif yüklü ve protonlar pozitif yüklü olduğundan). ⓘ
Bir katyon (+) (/ˈkætˌaɪ.ən/ KAT-eye-ən, Yunanca κάτω (káto) kelimesinden, "aşağı" anlamına gelir), protonlardan daha az elektrona sahip bir iyon olup, ona pozitif bir yük verir. ⓘ
Birden fazla yüke sahip iyonlar için kullanılan ek isimler vardır. Örneğin, -2 yüklü bir iyon dianyon olarak bilinir ve +2 yüklü bir iyon dikasyon olarak bilinir. Bir zwitterion, molekül içinde farklı yerlerde pozitif ve negatif yükleri olan nötr bir moleküldür. ⓘ
Katyonlar ve anyonlar iyonik yarıçapları ile ölçülür ve göreceli olarak büyüklükleri farklıdır: "Katyonlar küçüktür, çoğunun yarıçapı 10-10 m'den (10-8 cm) azdır. Ancak çoğu anyon, en yaygın Dünya anyonu olan oksijen gibi büyüktür. Bu gerçekten yola çıkarak, bir kristalin alanının çoğunun anyon tarafından işgal edildiği ve katyonların aralarındaki boşluklara sığdığı açıktır." ⓘ
Anyon ve katyon terimleri (elektroliz sırasında sırasıyla anot ve katoda giden iyonlar için) Michael Faraday tarafından 1834 yılında William Whewell ile yaptığı görüşmenin ardından ortaya atılmıştır. ⓘ
Doğal oluşumlar
İyonlar doğada her yerde bulunur ve Güneş'in ışıldamasından Dünya'nın iyonosferinin varlığına kadar çeşitli olaylardan sorumludur. İyonik haldeki atomlar nötr atomlardan farklı bir renge sahip olabilir ve bu nedenle metal iyonları tarafından ışığın emilmesi değerli taşların rengini verir. Hem inorganik hem de organik kimyada (biyokimya dahil) su ve iyonların etkileşimi son derece önemlidir; adenozin trifosfatın (ATP) parçalanmasını sağlayan enerji buna bir örnektir. Aşağıdaki bölümlerde iyonların belirgin bir şekilde öne çıktığı bağlamlar açıklanmaktadır; bunlar astronomik ölçekten mikroskobik ölçeğe doğru azalan fiziksel uzunluk ölçeğinde düzenlenmiştir. ⓘ
İlgili teknoloji
İyonlar, genellikle yüksek voltaj veya sıcaklık içeren çeşitli iyon kaynakları kullanılarak kimyasal olmayan yollarla hazırlanabilir. Bunlar kütle spektrometreleri, optik emisyon spektrometreleri, parçacık hızlandırıcıları, iyon implanterleri ve iyon motorları gibi çok sayıda cihazda kullanılır. ⓘ
Reaktif yüklü parçacıklar olarak, mikropları bozarak hava temizlemede ve duman dedektörleri gibi ev eşyalarında da kullanılırlar. ⓘ
Organizmalarda sinyalizasyon ve metabolizma, membranlar boyunca hassas bir iyonik gradyan tarafından kontrol edildiğinden, bu gradyanın bozulması hücre ölümüne katkıda bulunur. Bu, iyon kanalları gramicidin ve amphotericin (bir mantar ilacı) dahil olmak üzere doğal ve yapay biyositler tarafından kullanılan ortak bir mekanizmadır. ⓘ
İnorganik çözünmüş iyonlar, su kalitesinin yaygın olarak bilinen bir göstergesi olan toplam çözünmüş katıların bir bileşenidir. ⓘ
İyonlaştırıcı radyasyonun tespiti
Radyasyonun bir gaz üzerindeki iyonlaştırıcı etkisi alfa, beta, gama ve X-ışınları gibi radyasyonların tespitinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu cihazlardaki orijinal iyonizasyon olayı, radyasyonun gaz molekülleri üzerindeki iyon etkisiyle bir "iyon çifti"; bir pozitif iyon ve bir serbest elektron oluşmasıyla sonuçlanır. İyonizasyon odası bu dedektörlerin en basitidir ve bir elektrik alanının uygulanması yoluyla gaz içinde doğrudan iyonizasyonla oluşturulan tüm yükleri toplar. ⓘ
Geiger-Müller tüpü ve orantılı sayacın her ikisi de Townsend çığı olarak bilinen bir olguyu kullanarak, serbest elektronların iyon etkisiyle daha fazla elektron salmak için elektrik alanı tarafından yeterli enerjiye sahip olduğu bir kademeli etki yoluyla orijinal iyonlaştırıcı olayın etkisini çoğaltır. ⓘ
Kimya
Yüklü durumu ifade eder
Bir iyonun kimyasal formülü yazılırken, net yükü molekülün/atomun kimyasal yapısından hemen sonra üst simge olarak yazılır. Net yük, işaretten önce büyüklüğü ile yazılır; yani çift yüklü bir katyon +2 yerine 2+ olarak gösterilir. Ancak, tek yüklü moleküller/atomlar için yükün büyüklüğü atlanır; örneğin, sodyum katyonu Na1+ değil Na+ olarak gösterilir. ⓘ
Birden fazla yüke sahip bir molekülü/atomu göstermenin alternatif (ve kabul edilebilir) bir yolu, işaretleri birden fazla kez çizmektir, bu genellikle geçiş metallerinde görülür. Kimyagerler bazen işareti daire içine alırlar; bu sadece süs amaçlıdır ve kimyasal anlamı değiştirmez. Fe2+ 'nin her üç gösterimi
, Fe++, ve şekilde gösterilen Fe⊕⊕ bu nedenle eşdeğerdir. ⓘ
Monatomik iyonlar bazen özellikle spektroskopide Romen rakamlarıyla da gösterilir; örneğin Fe2+
Yukarıda görülen örnek Fe(II) veya FeII olarak adlandırılır. Roma rakamı bir elementin resmi oksidasyon durumunu belirtirken, üst simge olan Hint-Arap rakamları net yükü belirtir. Bu nedenle, iki gösterim tek atomlu iyonlar için değiştirilebilir, ancak Roma rakamları çok atomlu iyonlara uygulanamaz. Bununla birlikte, uranil iyonu örneğinde gösterildiği gibi, bir poliatomik kompleks ile bireysel metal merkezi için gösterimleri karıştırmak mümkündür. ⓘ
Alt sınıflar
Eğer bir iyon eşleşmemiş elektronlar içeriyorsa, buna radikal iyon denir. Tıpkı yüksüz radikaller gibi, radikal iyonlar da çok reaktiftir. Karbonat ve sülfat gibi oksijen içeren poliatomik iyonlara oksiyanyon denir. Hidrojen bağı için en az bir karbon içeren moleküler iyonlara organik iyonlar denir. Bir organik iyonun yükü resmi olarak bir karbon üzerinde merkezlenmişse, karbokatyon (pozitif yüklü ise) veya karbanyon (negatif yüklü ise) olarak adlandırılır. ⓘ
Oluşum
Monatomik iyonların oluşumu
Monatomik iyonlar, bir atomdaki değerlik kabuğuna (en dıştaki elektron kabuğu) elektron kazanılması veya kaybedilmesiyle oluşur. Bir atomun iç kabukları, pozitif yüklü atom çekirdeğine sıkıca bağlı elektronlarla doludur ve bu nedenle bu tür bir kimyasal etkileşime katılmazlar. Nötr bir atom veya molekülden elektron kazanma veya kaybetme sürecine iyonlaşma denir. ⓘ
Atomlar radyasyon bombardımanı ile iyonize edilebilir, ancak kimyada karşılaşılan daha olağan iyonizasyon süreci, elektronların atomlar veya moleküller arasında transferidir. Bu transfer genellikle kararlı ("kapalı kabuk") elektronik konfigürasyonların elde edilmesiyle gerçekleşir. Atomlar, hangi eylemin en az enerji gerektirdiğine bağlı olarak elektron kazanacak veya kaybedecektir. ⓘ
Örneğin, bir sodyum atomu, Na, değerlik kabuğunda tek bir elektrona sahiptir ve 2 ve 8 elektronluk 2 kararlı, dolu iç kabuğu çevreler. Bu dolu kabuklar çok kararlı olduğundan, bir sodyum atomu fazladan elektronunu kaybetme ve bu kararlı konfigürasyona ulaşma eğilimindedir ve bu süreçte bir sodyum katyonu haline gelir ⓘ
- Na → Na+
+
e- ⓘ
Öte yandan, bir klor atomu, Cl, değerlik kabuğunda 7 elektrona sahiptir, bu da 8 elektronlu kararlı, dolu kabuktan bir eksiktir. Bu nedenle, bir klor atomu fazladan bir elektron kazanma ve kararlı 8 elektronlu bir konfigürasyona ulaşma eğilimindedir ve bu süreçte bir klorür anyonu haline gelir:
- Cl +
e-
→ Cl- ⓘ
Bu itici güç, sodyum ve klorun kimyasal bir reaksiyona girmesine neden olur; burada "fazladan" elektron sodyumdan klora aktarılır ve sodyum katyonları ile klorür anyonları oluşur. Zıt yüklü olan bu katyonlar ve anyonlar iyonik bağlar oluşturur ve daha yaygın olarak sofra tuzu olarak bilinen sodyum klorürü, NaCl'yi oluşturmak üzere birleşir. ⓘ
- Na+
+ Cl-
→ NaCl ⓘ
Çok atomlu ve moleküler iyonların oluşumu
3). 3 boyutlu kabuk tek bir keyfi izopotansiyeli temsil eder. ⓘ
Poliatomik ve moleküler iyonlar genellikle bir proton, H+ gibi element iyonlarının kazanılması veya kaybedilmesiyle oluşur.
nötr moleküllerde. Örneğin, amonyak, NH
3, bir proton kabul eder, H+
-protonlama adı verilen bir süreçle amonyum iyonu NH+ oluşturur.
4. Amonyak ve amonyum esasen aynı elektronik konfigürasyonda aynı sayıda elektrona sahiptir, ancak amonyum kendisine net pozitif yük veren fazladan bir protona sahiptir. ⓘ
Amonyak ayrıca pozitif yük kazanmak için bir elektron kaybederek NH+ iyonunu oluşturabilir.
3. Ancak bu iyon kararsızdır, çünkü azot atomunun etrafında eksik bir değerlik kabuğu vardır ve bu da onu çok reaktif bir radikal iyon haline getirir. ⓘ
Radikal iyonların kararsızlığı nedeniyle, poliatomik ve moleküler iyonlar genellikle H+ gibi element iyonları kazanarak veya kaybederek oluşturulur.
elektron kazanmak ya da kaybetmek yerine. Bu, molekülün bir elektrik yükü kazanırken kararlı elektronik konfigürasyonunu korumasını sağlar. ⓘ
İyonlaşma potansiyeli
En düşük enerji durumundaki bir elektronu, net elektrik yükü daha az olan bir gazın atomundan veya molekülünden koparmak için gereken enerjiye iyonlaşma potansiyeli veya iyonlaşma enerjisi denir. Bir atomun n'inci iyonlaşma enerjisi, ilk n - 1 elektron koparıldıktan sonra n'inci elektronunu koparmak için gereken enerjidir. ⓘ
Birbirini izleyen her iyonlaşma enerjisi bir öncekinden belirgin şekilde daha büyüktür. Herhangi bir atomik orbital bloğunda elektronlar tükendikten sonra özellikle büyük artışlar meydana gelir. Bu nedenle, iyonlar kendilerini tam orbital bloklarıyla bırakacak şekilde oluşma eğilimindedir. Örneğin, sodyum en dış kabuğunda bir değerlik elektronuna sahiptir, bu nedenle iyonize formda genellikle Na+ gibi bir kayıp elektronla bulunur.
. Periyodik tablonun diğer tarafında, klorun yedi değerlik elektronu vardır, bu nedenle iyonize formda genellikle bir elektron kazanmış olarak bulunur, Cl-
. Sezyum tüm elementler arasında ölçülen en düşük iyonlaşma enerjisine, helyum ise en yüksek iyonlaşma enerjisine sahiptir. Genel olarak, metallerin iyonlaşma enerjisi ametallerin iyonlaşma enerjisinden çok daha düşüktür, bu nedenle genel olarak metaller pozitif yüklü iyonlar oluşturmak için elektron kaybedecek ve ametaller negatif yüklü iyonlar oluşturmak için elektron kazanacaktır. ⓘ
İyonik bağ
İyonik bağ, zıt yüklü iyonların karşılıklı çekiminden kaynaklanan bir tür kimyasal bağdır. Benzer yüklü iyonlar birbirini iter ve zıt yüklü iyonlar birbirini çeker. Bu nedenle, iyonlar genellikle kendi başlarına var olmazlar, ancak bir kristal kafes oluşturmak için zıt yüklü iyonlarla bağlanırlar. Ortaya çıkan bileşiğe iyonik bileşik denir ve iyonik bağ ile bir arada tutulduğu söylenir. İyonik bileşiklerde, iyon komşuları arasında, her bir iyonun uzamsal uzantısının ve iyonik yarıçapının türetilebileceği karakteristik mesafeler ortaya çıkar. ⓘ
En yaygın iyonik bağ türü metal ve ametal bileşiklerinde görülür (nadiren kimyasal bileşikler oluşturan soy gazlar hariç). Metaller, kararlı, kapalı kabuklu bir elektronik konfigürasyonun üzerinde az sayıda elektrona sahip olmaları ile karakterize edilir. Bu nedenle, kararlı bir konfigürasyon elde etmek için bu ekstra elektronları kaybetme eğilimindedirler. Bu özellik elektropozitiflik olarak bilinir. Öte yandan, metal olmayanlar, kararlı bir konfigürasyondan sadece birkaç elektron eksik bir elektron konfigürasyonuna sahip olmaları ile karakterize edilirler. Bu nedenle, kararlı bir konfigürasyon elde etmek için daha fazla elektron kazanma eğilimindedirler. Bu eğilim elektronegatiflik olarak bilinir. Yüksek derecede elektropozitif bir metal yüksek derecede elektronegatif bir ametal ile birleştiğinde, metal atomlarından gelen ekstra elektronlar elektron eksikliği olan ametal atomlarına aktarılır. Bu reaksiyon, bir tuz oluşturmak üzere birbirlerini çeken metal katyonları ve ametal anyonları üretir. ⓘ
Yaygın iyonlar
|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||