Ионы

Ио́ны (от греч. ἰών – идущий), одноатомные или многоатомные частицы, несущие электрический заряд. Заряд ионов кратен элементарному электрическому заряду и всегда целочисленный. Заряд одноатомного иона химического элемента по числу и знаку совпадает со степенью окисления этого элемента; заряд многоатомного иона равен алгебраической сумме степеней окисления элементов с учётом числа их атомов. Положительно заряженные ионы (например, K⁺ , Ca²⁺ ,NH₄ ⁺ ) называют катионами (от греч. ϰατι ών – идущий вниз), отрицательно заряженные ионы (например, Cl^– , SO₄ ^2– , CH₃ COO^– ) – анионами (от греч. ἀνιῴν – идущий вверх). Процесс образования ионов называется ионизацией. Термины «ионы», «катион» и «анион» ввёл в 1834 г. М. Фарадей, изучавший действие электрического поля на водные растворы различных химических соединений. В постоянном электрическом поле катионы перемещаются к отрицательно заряженному электроду (катоду), анионы – к положительно заряженному электроду (аноду).

В виде самостоятельных частиц ионы могут существовать во всех агрегатных состояниях вещества: в газах (в атмосфере), в кристаллах, в плазме, в жидкостях – в расплавах и в растворах. Ионы являются структурными единицами химических соединений с ионной химической связью. Такие соединения в твёрдом состоянии, расплавах и растворах состоят из катионов и анионов; например, хлорид натрия NaCl – из катионов Na⁺ и анионов Cl^– , ацетат калия CH₃ COOK – из катионов K⁺ и анионов CH₃ COO^– . Некоторые соединения с полярной ковалентной связью (например, хлороводород HCl) при растворении в воде и других полярных растворителях диссоциируют на ионы. В зависимости от природы растворителя и растворённого вещества содержащиеся в растворах ионы могут либо взаимодействовать с молекулами растворителя, в результате чего вокруг иона формируются сольватные оболочки, либо находиться достаточно близко, образуя ионные па́ры.

Ионы образуются при отрыве электронов от атомов и молекул, находящихся в газовой фазе (при этом расходуется энергия ионизации), или в результате присоединения электронов к таким атомам и молекулам (энергия, затрачиваемая или высвобождающаяся при этом, – сродство атома или молекулы к электрону). К образованию ионов приводит также присоединение иона простого состава к нейтральной молекуле или другому иону. Например, при присоединении иона H⁺ к молекуле воды H₂ O получается ион гидроксония H₃ O⁺ . Возможно образование ионов при разрушении молекул в результате термического или радиационного воздействия. При образовании ионов всегда сохраняется суммарный первоначальный заряд участвующих в этом процессе частиц (если ионы образовались из нейтральных атомов или молекул, то суммарный заряд всех ионов равен нулю). Некоторые молекулы, находящиеся в растворах или кристаллах, оставаясь в целом электронейтральными, содержат в различных участках противоположно заряженные группы (цвиттер-ионы). Комплекс, состоящий из нескольких нейтральных атомов или молекул и ионов, – кластерный ион.

Химические реакции в растворе (или расплаве) с участием ионных соединений обусловлены перемещением ионов в этой среде и образованием ими новых нейтральных частиц или более сложных ионов. В живых организмах ионы участвуют в различных обменных процессах, регуляции мышечных сокращений, передаче нервных импульсов и т. д. (см., например, в статье Ионные насосы).