Что такое анион: определение, классификация, обнаружение, значение

Анионы - это отрицательно заряженные ионы, играющие важную роль в химии. Они противоположны по заряду катионам, которые несут положительный заряд. В данной статье мы разберем, что представляют собой анионы, какие бывают их виды, как они образуются и для чего нужны.

Определение анионов

Анионами называются отрицательно заряженные ионы, образующиеся при диссоциации или ионизации веществ. Как правило, анионами становятся неметаллы и их соединения при растворении или плавлении. Например, хлорид-ион Cl-, сульфат-ион SO42-, нитрат-ион NO 3-.

Противоположностью анионов являются катионы - положительно заряженные ионы. Анионы и катионы совместно образуют ионные соединения - соли. Таким образом, анионы - неотъемлемый компонент любой соли в химии.

Виды анионов

Различают несколько видов анионов:

• Простые анионы - состоят только из одного элемента, например Cl-, Br-, I-;
• Сложные анионы - состоят из двух и более элементов, например SO42-, CO32-;
• Органические анионы - содержат углерод, например CH3COO-;
• Переходные анионы - могут как отдавать, так и принимать электроны, меняя заряд, например Fe2+/Fe3+.

Анион: его свойства

Анионы обладают рядом важных свойств:

1. Отрицательный заряд. В отличие от электронейтральных атомов и молекул, анионы несут отрицательный заряд;
2. Способность к ионной связи. Анионы могут образовывать ионные соединения (соли) с катионами;
3. Растворимость в воде. Большинство анионов хорошо растворяются в водных растворах, образуя ионные гидраты;
4. Химическая активность. Анионы легко вступают в реакции с катионами и другими веществами.

Таким образом, наличие заряда определяет уникальные химические свойства анионов, отличающие их от нейтральных частиц.

Молы катионов и анионов: количественные соотношения

Для описания количественных соотношений ионов в растворах используется понятие моль. 1 моль любого вещества содержит 6,02*10^23 частиц (постоянная Авогадро).

В ионных соединениях и растворах катионы и анионы - это пары ионов, электрические заряды и количество молей которых сбалансированы. Например:

• В 1 моле хлорида натрия NaCl содержится 1 моль Na+ катионов и 1 моль Cl- анионов;
• В 1 моле сульфата магния MgSO4 - 1 моль Mg2+ и 1 моль SO42-.

Такое количественное соответствие необходимо для электронейтральности соединения.

Качественные реакции на анионы

Для обнаружения анионов в растворе используются качественные реакции. Они основаны на характерных визуально наблюдаемых изменениях при взаимодействии анионов с определенными реагентами.

Например:

• Хлорид-ион образует белый осадок хлорида серебра с раствором AgNO 3;
• Сульфат-ион дает белый осадок с раствором BaCl2;
• Карбонат-ион вскипает при взаимодействии с кислотами.

Такие реакции позволяют обнаружить присутствие тех или иных анионов в анализируемом веществе.

Таблица анионов: классификация по видам

Существует классификация наиболее распространенных анионов в виде таблицы, которая группирует их по различным признакам:

Такая классификация удобна для систематизации знаний по неорганической химии.

Анионы солей: роль в образовании солей

Как мы уже выяснили, анионы наряду с катионами являются обязательной составляющей любой соли в химии. Анионы определяют многие свойства конечной соли.

Например, соляная кислота обозначается HCl - она содержит ион водорода и хлорид-ион. При взаимодействии с гидроксидом натрия NaOH образуется хлорид натрия (поваренная соль) NaCl, в котором уже содержится ион Na+ и анион Cl−.

Аналогично, серная кислота H2SO4 при реакции с NaOH образует сульфат натрия Na2SO4. То есть анион SO42− переходит в конечную соль из исходной кислоты.

Так происходит при получении любых солей - катионы и анионы перегруппировываются с образованием новых солей, но сами ионы при этом сохраняются.

Отрицательно заряженный ион: причины возникновения

Возникновение отрицательного заряда у ионов связано с электронным строением атомов химических элементов и закономерностями химических реакций.

Анионы образуются элементами, принимающими электроны на внешний электронный слой для достижения электронной конфигурации ближайшего инертного газа. Принятые электроны и формируют отрицательный заряд частицы.

Например, ион Cl- имеет электронную конфигурацию аргона и завершенный внешний слой из 8 электронов. Подобно формируются ионы O2-, S2-, N3- и многие другие.

Кроме того, отрицательный заряд могут приобретать комплексные ионы, где центральный атом окружен избыточным числом электронных пар лигандов.

Как определить отрицательно заряженный ион

Для определения отрицательно заряженного иона используются:

1. Теоретический расчет по электронной конфигурации элементов;
2. Экспериментальное определение подвижности ионов в электрическом поле;
3. Обнаружение характерных качественных реакций.

Если частица движется к положительно заряженному электроду или дает специфичные реакции с катионами металлов, то это однозначно указывает на анион.

Роль анионов в живых организмах

Анион - это не только абстрактное понятие неорганической химии. Анионы играют важнейшую роль в биохимических процессах живых организмов.

Так, хлорид-ион Cl- поддерживает осмотическое давление, электролитный баланс крови и участвует в передаче нервных импульсов. Фосфат-ион PO43- входит в состав ДНК и РНК, формируя их химическую основу. Гидрокарбонат-ион HCO3- регулирует pH крови, поддерживая ее слабощелочной характер.

Что представляют собой комплексные анионы

Помимо простых анионов, существуют сложные частицы - комплексные анионы. Они также несут отрицательный заряд, но имеют более сложное строение.

Комплексный анион состоит из центрального атома, как правило переходного металла, и окружающих его лигандов. Лиганды присоединены к центральному атомом donor-акцепторными связями, образуя комплекс.

Ярким примером комплексного аниона является гексацианоферрат-ион [Fe(CN)6]3-, в котором Fe3+ окружен 6 цианид-ионами C≡N-. Важнейшие комплексные анионы - это анионы витаминов и ферментов.

Анионы как лекарственные препараты

Некоторые анионы и их производные широко используются в медицинских целях.

Так, ион йода I- входит в состав йодидов калия и натрия, которые назначают при заболеваниях щитовидной железы. Нитрат-ион NO 3- является основой для нитроглицерина, обладающего сосудорасширяющим действием. Анионы диклофенака, индометацина и мефенамовой кислоты относятся к нестероидным противовоспалительным средствам.

Анионы как аналитические реагенты

Благодаря характерным химическим свойствам, многие анионы нашли широкое применение в аналитической химии в качестве реагентов.

Тиосульфат натрия Na2S2O3 используется для определения концентраций окислителей йодометрическим методом. Роданид-ион SCN- служит для обнаружения ионов Fe3+. Оксалат C2O42– и фосфат PO43– ионы позволяют оценить концентрацию ионов Ca2+ и магния при комплексометрическом титровании.

Анионы как загрязнители окружающей среды

Некоторые анионы, попадая в избыточных концентрациях в почву, воду и воздух становятся опасными загрязнителями окружающей среды.

В частности, выбросы оксидов серы и азота приводят к образованию сульфат-, нитрат- и нитрит-ионов, которые влияют на кислотно-основной баланс почвы. Избыточный хлорид натрия NaCl и другие соли засолоняют почву. Накопление тяжелых металлов происходит именно в ионной форме, например ионов ртути, свинца, кадмия.

Перспективы применения анионов

Учитывая уникальные физико-химические свойства анионов, перспективным представляется их использование в передовых областях науки и техники.

В частности, исследуются высокопроводящие анионные полимеры для создания легких и емких аккумуляторов. Разрабатываются анионообменные мембраны для опреснения воды методом обратного осмоса. Изучается возможность применения наночастиц с поверхностными анионами в катализе и биомедицинских целях.

Анионы в космосе

Анионы, наряду с другими ионами и нейтральными частицами, обнаружены за пределами Земли в межзвездном пространстве. Это относится, прежде всего, к простейшим ионам - H−, C−, O−, OH−.

Предполагается, что анионы играют определенную роль в физико-химических процессах, протекающих в газопылевых туманностях и плотных молекулярных облаках Вселенной. Возможно, анионы также присутствуют в атмосферах планет-гигантов.

Происхождение анионов во Вселенной

Первые анионы могли возникнуть еще на заре формирования Вселенной в результате ионизации водорода и гелия под действием излучений и ударных волн.

В дальнейшем, в недрах звезд при термоядерном синтезе сформировались более сложные анионы химических элементов. Рассеиваясь при взрывах сверхновых, анионы стали частью межзвездной пыли, газа и льда.

Поиск анионов на других планетах

Анионы, вероятно, присутствуют на планетах Солнечной системы со схожими земным условиями. В частности, ионы хлора и серы обнаружены в атмосфере и на поверхности Венеры, а также в облаках Венеры и Марса.

Перспективной задачей является поиск следов анионов на спутниках газовых гигантов, где возможно существование подповерхностных водных океанов. Также анионы могут присутствовать в атмосферах экзопланет в обитаемых зонах других звезд.

Анионы в искусстве и культуре

Несмотря на кажущуюся абстрактность, образы анионов проникают и в область искусства.

Яркие вихри синего цвета в картине Ван Гога напоминают движение электронов в ионе. Завораживающие формы минералов отражают симметрию расположения анионов и катионов в кристаллических решетках. Анионы вдохновляют художников и скульпторов на создание новых произведений!