Заряд иона - одна из важнейших характеристик любого вещества. От него напрямую зависят многие свойства: растворимость, кислотность, окислительно-восстановительные реакции. Поэтому умение быстро и точно рассчитать заряд иона крайне полезно для решения широкого круга химических задач.
Что такое ионы и откуда берется их заряд
Ионы - это электрически заряженные частицы, состоящие из одного или нескольких атомов. Причина появления заряда - неравное количество протонов и электронов.
В нейтральном атоме число протонов (положительных зарядов в ядре) равно числу электронов (отрицательных зарядов в электронных оболочках). Но атом может отдать часть электронов или присоединить дополнительные. Тогда возникает разность зарядов и образуется ион.
Катионы - положительно заряженные ионы, у которых электронов меньше, чем протонов.
Анионы - отрицательно заряженные ионы, содержащие больше электронов, чем протонов.
Простая формула расчета заряда иона
Для вычисления заряда достаточно знать только два параметра:
- Число протонов (Z) в ионе
- Число электронов (N) в ионе
Тогда заряд иона Q рассчитывается по формуле:
Q = Z - N
Где Z - число протонов, N - число электронов.
Положительное значение Q соответствует катионам, отрицательное - анионам. Чем больше modulus значения, тем выше заряд иона.
Использование таблицы Менделеева
Самый простой способ определить Z и N - воспользоваться периодической системой химических элементов Д.И. Менделеева. Для этого достаточно знать состав иона и его электронное строение.
Определение числа протонов
Число протонов Z совпадает с порядковым (ядерным) номером химического элемента в таблице Менделеева. Например, для натрия Z = 11, для хлора Z = 17.
Если ион состоит из нескольких атомов, то суммируем Z каждого из них. Так, для сульфат-иона SO42- сумма Z = 16 (сера) + 4*1 (кислород) = 20.
Расчет числа электронов
Число электронов в ионе определяется из его электронного строения, которое также находится в таблице Менделеева.
Например, у натрия в нейтральном состоянии структура электронных слоев 1s22s22p63s1. Всего электронов - 11.
При образовании катиона натрия Na+ теряется 1 электрон. Значит, число электронов в ионе N=10.
Для многоатомных ионов суммируем электроны по всем атомам. У сульфат-иона SO42- всего 24 электрона (6 у серы + 4*8 у кислорода).
- Пример применения метода
Вычислим заряд иона фосфора P3-.
- По таблице Менделеева: Z(P) = 15
- Электронная конфигурация фосфора: 1s22s22p63s23p3. Всего 15 электронов в нейтральном атоме.
- В анионе Р3- три атома фосфора. Тогда сумма электронов 3*15 = 45.
- Подставляем в формулу: Z = 3*15 = 45; N = 45. Получаем: Q = Z - N = 45 - 45 = 0.
- Ответ: заряд трехатомного иона фосфора P3- равен -3.
Аналогично можно найти заряд любого одно- или многоатомного иона, пользуясь всего лишь таблицей Менделеева.
Учет валентных электронов
Помимо общего числа электронов, важно рассмотреть именно валентные электроны. Это внешний электронный слой, определяющий химические свойства элемента.
Правило восьми валентных электронов
Для устойчивости атом стремится иметь 8 валентных электронов (за исключением водорода и гелия). Это достигается за счет отдачи/принятия электронов при взаимодействии с другими атомами.
Так, атом натрия отдает 1 электрон из своего 3s1 слоя, доводя число валентных электронов до 8. Атом хлора принимает 1 электрон, также получая октет.
Образование ионов
Потеря валентных электронов металлами приводит к образованию положительных катионов. А присоединение электронов неметаллами - к возникновению отрицательных анионов.
Таким образом, заряд иона равен изменению числа валентных электронов при взаимодействии с другими атомами. Это позволяет определить заряд, не рассчитывая общее число электронов.
Пример для алюминия
Вычислим заряд иона алюминия Al3+.
- У нейтрального алюминия 3 валентных электрона (3s2 3p1).
- Чтобы получить октет, атом Al отдает 3 электрона.
- Потеря 3е- означает образование катиона с зарядом +3.
Аналогично для других элементов заряд иона можно найти через изменение количества валентных электронов.
Определение заряда по степени окисления
Степень окисления показывает, какое число электронов отдано (положительная) или принято (отрицательная) атомом при образовании иона.
Фактически она равна заряду иона. Поэтому зная степень окисления, можно напрямую определить заряд.
Окислительно-восстановительные реакции
Отдача электронов атомом называется окислением. А принятие электронов - восстановлением. Через эти процессы и образуются положительные и отрицательные ионы.
| Окисление металлов | Восстановление неметаллов |
| Отдача e- | Принятие e- |
| Образование катионов | Образование анионов |
| Положительный заряд | Отрицательный заряд |
- Определите заряд комплексного иона степень окисления
Для комплексных ионов суммируем степени окисления всех атомов. Например, для сульфата SO42-:
- Сера S имеет степень окисления +6
- Кислород O - по -2
Тогда сумма = +6 + 4*(-2) = -2. Это и есть заряд сульфат-иона.
Расчет заряда сложных ионов
Для полиатомных или комплексных ионов вычисление заряда требует учета нескольких составляющих частей.
Алгоритм расчета
Общий алгоритм следующий:
- Записать химическую формулу иона полностью
- Определить заряд (степень окисления) каждого элемента
- Сложить заряды всех элементов в ионе
Рассмотрим несколько примеров.
Сульфит-ион
Вычислим заряд иона сульфита SO32-.
- Формула иона: SO32-
- Заряд S = +4, каждого O = -2
- Сумма: +4 + 3*(-2) = -2
Ответ: заряд сульфит-иона равен -2.
- Определите заряд иона олова если n 3
Для иона олова(III) Sn3+:
- Формула Sn3+
- Заряд олова = +3 (указан в формуле)
- Сумма = +3
Заряд иона Sn3+ равен +3.
- Определить заряд иона кислотного остатка
В солях заряд кислотного остатка равен отрицательному заряду аниона.
Например, в Na2SO4 заряд сульфат-иона SO42- равен -2. Значит, заряд остатка тоже -2.
Рекомендации по упрощению расчетов
Чтобы ускорить вычисление зарядов комплексных ионов, полезно знать типичные степени окисления наиболее распространенных элементов.
К примеру, металлы в солях чаще всего проявляют степени окисления со знаком "+". А неметаллы в основном имеют отрицательные степени окисления.
Зная это, можно быстро определять заряд таких ионов как сульфат, нитрат, карбонат по известным зарядам серы (+6), азота (+5), углерода (+4) и кислорода (-2).
