یون چیست؟
یون چیست: به اتم یا مولکولی که بار الکتریکی مثبت یا منفی دارد، یون می‌گوییم. اتم‌ها در حالت عادی خنثی هستند زیرا تعداد پروتون‌ها (بار مثبت) و تعداد الکترون‌های‌شان (بار منفی) با هم برابر است. لذا اتم‌ها زمانی که الکترون از دست بدهند و یا الکترون اضافه جذب کنند، باردار می‌شوند. وقتی اتم الکترون از دست می‌دهد، یون مثبت (کاتیون) می‌شود و وقتی الکترون اضافه جذب می‌کند، یون منفی (آنیون) می‌شود. در ادامه مطلب با جزییات بیشتری توضیح می‌دهیم که یون چیست و چگونه تشکیل می‌شود. همچنین به تفاوت یون و اتم و نیز درباره یون مثبت و یون منفی اشاره می‌کنیم.
(توضیح تصویر سربرگ: قطعات نوعی نمک معروف به نمک آبی که ترکیبی یونی است.)
یون چیست؟
به اتم یا مولکول باردار یون (ion) و به فرآیند جدا شدن الکترون از اتم یا اضافه شدن الکترون به اتم یونش یا یونیزاسیون (ionization) می‌گویند. اتم‌ها در حالت عادی بار الکتریکی ندارند و اصطلاحاً خنثی هستند، زیرا تعداد پروتون‌ها و تعداد الکترون‌های‌شان برابر است. الکترون‌ها بار الکتریکی منفی دارند و بار الکتریکی پروتون‌ها مثبت است. پس بدیهی است که در حالت عادی چون تعداد الکترون‌ها و پروتون‌های اتم برابر است، اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند. اما اگر اتم به هر علتی تعدادی از الکترون‌های خود را از دست بدهد یا تعدادی الکترون اضافه جذب کند، توازن بارهای مثبت و منفی‌اش به‌هم می‌خورد و باردار می‌شود.
اگر اتم یک یا چند الکترون از دست بدهد، تعداد الکترون‌ها نسبت به تعداد پروتون‌های اتم کاهش می‌یابد و بار مثبتِ پروتون بر بار منفی الکترون غلبه می‌کند و اتم عملاً یون مثبت (کاتیون) می‌شود. اما اگر اتم الکترون اضافی جذب کند، تعداد الکترون‌ها از تعداد پروتون‌ها بیشتر می‌شود و بار منفی الکترون‌ها بر بار مثبت پروتون‌ها غلبه می‌یابد و اتم عملاً یون منفی (آنیون) می‌شود. بر همین اساس، می‌گوییم یونها دو نوع هستند: یون مثبت و یون منفی
انواع یون از نظر بار الکتریکی
همانطور که گفتیم، یونها دو نوع هستند: یون مثبت (کاتیون) و یون منفی (آنیون)
- یون مثبت (کاتیون): به اتمی که تعداد پروتون‌های آن از تعداد الکترون‌هایش بیشتر باشد، یون مثبت می‌گوییم، زیرا بار مثبت پروتون‌هایش بر بار منفی الکترون‌ها غلبه دارد.
- یون منفی (آنیون): به اتمی که تعداد الکترون‌های آن از تعداد پروتون‌هایش بیشتر باشد، یون منفی می‌گوییم، زیرا بار منفی الکترون‌هایش بر بار مثبت پروتون‌ها غلبه دارد.
تصویر ۱. اتم خنثی با از دست دادن الکترون به یون مثبت و با جذب الکترون به یون منفی می‌شود.
چرا بعضی از اتم‌ها به یون مثبت و بعضی از اتم‌ها به یون منفی تبدیل می‌شوند؟
تشکیل یون مثبت یا منفی به ساختار اتم و بویژه لایه ظرفیتش یعنی آخرین لایه الکترونی اتم بستگی دارد. مثلا لایه ظرفیت اتم گازهای نجیب (مثل هلیوم و آرگون) کامل است و درنتیجه به الکترون‌گیری یا الکترون‌دهی تمایلی نشان نمی‌دهند. اگر لایه ظرفیت اتم فقط چند الکترون کم داشته باشد تا به ظرفیت کامل برسد، بیشتر مایل است الکترون جذب کند و به یون منفی تبدیل شود. اما اگر لایه ظرفیت اتم تا رسیدن به ظرفیت کامل فاصله زیادی داشته باشد، تمایلش به الکترون‌دهی بیشتر خواهدبود که در اینصورت به یون مثبت تبدیل می‌شود.
فرمول‌نویسیِ یون
بار الکتریکی مولکول را با عدد و علامت مثبت یا منفی کوچکی نشان می‌دهیم و آن‌را در انتهای نام مولکول و بالای آن می‌نویسیم. برای مثال عبارت ۳+ یعنی بار الکتریکی اتم مثبت است و اختلاف تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های اتم، ۳ به نفع پروتون است. مثلا اتم آلومینیومی را که ۳ الکترون از دست داده و یون مثبت شده است، با چنین عبارتی نشان می‌دهیم:
Al۳+
اگر اتم تنها یک واحد بار الکتریکی مثبت یا منفی داشته باشد، عدد ۱ را نمی‌نویسیم و فقط علامت مثبت یا منفی را قید می‌کنیم، مثال:
N+
گاهی شیمی‌دان‌ها بار الکتریکی یونها را با اعداد رومی می‌نویسند. شیوه‌ی نگارش مذکور حالت اکسیداسیون یون را نشان می‌دهد. برای مثال، وقتی یون آهن را با عبارت Fa (II) نشان می‌دهیم یون مثبت ۲ آهن نیز هست یعنی:
Fe۲+
این‌نوع نگارش، نه برای یون‌های چنداتمی بلکه فقط برای یون‌های تک‌اتمی به کار می‌رود.
علت تشکیل یون چیست؟
وقتی الکترون از اتم خنثی جدا یا الکترون اضافی به اتم خنثی اضافه می‌شود، اتم باردار می‌شود و به اتمی که بار الکتریکی دارد یون می‌گوییم. یون به علل و روش‌های مختلفی تولید می‌شوند. برای نمونه، بعضی از واکنش‌های شیمیایی خاص و یا از هم گسستن پیوندهای کووالانسی می‌تواند سبب جدایش یا جذب الکترون شود. مثلا، از واکنش اتم سدیم با اتم کلر، یک یون مثبت سدیم و یک یون منفی کلر به‌دست می‌آید. ضمنا چون بارهای الکتریکی ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند، یون‌های مثبت و منفی نیز معمولا با یکدیگر برهم‌کنش می‌یابند و ترکیب‌های یونی به‌وجود می‌آورند.
انواع یون از نظر ساختار
یونها را براساس تعداد اتم‌های باردارشان می‌توان به دو دسته تقسیم کرد:
- یون تک‌اتمی (monoatomic ion): به تک‌اتمِ تنهای باردار، «یونِ تک‌اتمی» می‌گوییم.
- یون چنداتمی (polyatomic ion): اگر چند اتم از یک مولکول یا ترکیب شیمیایی باردار شوند، به آن‌ها «یونِ چنداتمی» می‌گوییم.
از پیوند دو یا چند اتم با هم، مولکول پدید می‌آید. مولکول‌های حاوی یون نیز می‌توانند تحت شرایط خاصی خنثی باشند، یعنی بارالکتریکی نداشته باشند. به مولکولی که حاوی دو گروه یونیِ یکی مثبت و دیگری منفی است و در عین حال، برآیند بار الکتریکی گروه‌های یونی آن خنثی است، مولکول خنثی یا اصطلاحا زویتریون (zwitterion) می‌گوییم.
مولکول خنثی (زویتِریون) چیست؟
یونها در حالت گاز بسیار واکنش‌پذیرند و خیلی سریع با یون‌های مخالف خود وارد واکنش می‌شوند. یون‌های محلول می‌توانند مایع یا جامد هم باشند. نمک‌ها و حلّال‌هایی مثل کلریدسدیم و آب چنین وضعیتی دارند. این یونها پایدارترند چون با حلال برهم‌کنش دارند که نیاز به دافعه را کاهش می‌دهد. این انرژی و آنتروپی آن‌ها را تغییر می‌دهد.
تصویر ۲. به مولکول حاوی یون یون‌های مثبت و منفی آن برابر باشد، زویتریون می‌گویند.
ویژگی یونها
- یونها در مقایسه با اتم‌های خنثی واکنش‌پذیرترند، زیرا بار الکتریکی دارند. برای مثال، وقتی اتم‌ها الکترون از دست می‌دهند، محیط از یون‌های مثبت و الکترون‌های آزاد آکنده می‌شود و این‌دو چون بارهای غیرهم‌نام دارند، بسیار مستعد هستند که با هم پیوند بخورند و ترکیبات یونی یا مولکولی خاصی پدید آورند. اما اتم عادی خنثی است و فقط زمانی الکترون از دست می‌دهد که انرژی کافی به آن وارد شود. لذا می‌گوییم اتم‌ها پایدارتر اما یونها واکنش‌پذیرترند.
- اندازه یون مثبت و منفی یکسان نیست، زیرا تعداد الکترون‌های اتم و انرژی دافعه الکترون‌ها بر اندازه اتم تاثیر می‌گذارد. در یون مثبت، تعداد الکترون‌ها کمتر از تعداد پروتون‌هاست، پس انرژی دافعه بین الکترون‌ها کمتر است و نتیجتاً الکترون‌ها به هسته‌ی اتم نزدیک‌ترند. اما در یون منفی، تعداد الکترون‌ها بیشتر از تعداد پروتون‌ها است، پس انرژی دافعه بین الکترون‌ها بیشتر است و نتیجتا الکترون‌ها از هسته اتم دورترند. به‌همین سبب، یون مثبت از اتم والد خود کوچکتر اما یون منفی از اتم والد خود بزرگتر است.
بعضی از فواید و کاربردهای یون چیست؟
- نمک طعام و بعضی دیگر از مواد خوراکی انسان ترکیبات یونی هستند.
- منظور از یون‌سپهر یا یونوسفر، مناطقی از جو زمین است که در آن‌ها اتم و مولکول‌های هوا در اثر برخورد پرتو ایکس و فرابنفش خورشید یونیده می‌شوند. یونوسفر مثل آینه‌ای نامرئی امواج رادیوییِ ارسالی به فضا را به‌‌سمت زمین منعکس می‌کند. ویژگی مذکور امروزه در ارتباطات بی‌سیم نقش مهمی دارد.
- یونها در باتری‌های امروزی از جمله در باتری‌های یون‌لیتیوم نقشی محوری دارند.
- یونها در حفظ سلامت بدن انسان و سایر جانداران نقش حیاتی دارند. وجود آن‌ها برای انجام اموری مثل انتقال علائم عصبی، تنظیم آب بدن، انقباض ماهیچه‌ها و ترشح اسید معده ضروری است.
- از یونها در طیف‌سنجیِ جِرم و طیف‌سنج‌های نشر نور و شتاب‌دهنده‌های ذرات نیز استفاده می‌شود.
- یونها در بعضی از لوازم خانگی مثل دودسنج‌ها و پلاینده‌ها نیز کاربرد دارند.
- گفته می‌شود که یونها می‌توانند با تاراندن و خنثی‌سازی میکروب‌های موجود در محیط، هوا را پاک‌سازی می‌کنند.
- یونش یا تولید یون در سحابی‌ها و ستارگان پیوسته در جریان است. ستاره‌ها و سحابی‌ها هیدروژن و هلیوم فراوانی دارند. تابش پرتوهای شدید فرابنفش ستاره‌ها، گازهای هیدروژن و هلیوم موجود در سحابی را یونیده می‌کند و آن‌ها الکترون از دست می‌دهند. بالعکس، وقتی یون مثبت، یک الکترون منفی جذب می‌کند، از آن فوتون منتشر می‌شود.
نقش یون و الکترولیت‌ها در سلامت انسان
الکترولیت‌ها در بدن انسان یون تولید می‌کنند و لذا در حفظ سلامت انسان حیاتی هستند. مایع بدن حاوی الکترولیت است. الکترولیت‌ها موادی شیمیایی هستند که در آب حل می‌شوند و یون تولید می‌کنند. این یونها سبب می‌شوند تا سیگنال‌های الکتریکی در سراسر بدن بدرستی منتقل شوند.
الکترولیت‌ها فشار اسمزی در سلول‌ها را تنظیم و به حفظ عملکرد ماهیچه‌ها و سلول‌های عصبی کمک می‌کنند. اگر سطح الکترولیت‌ها کمتر یا بیشتر از حد مجاز باشد، عملکرد سلول‌ها و اندام‌ها مختل می‌شود و ممکن است شرایط خطرناکی رقم بخورد.
سدیم، کلر، پتاسیم، کلسیم و منیزیم پنج الکترولیت اصلی بدن و در زمره‌ی عناصر غذایی و معدنی هستند، یعنی از راه تغذیه تامین می‌شوند. وقتی مواد معدنی در آب حل می‌شوند به یون‌های مثبت و منفی تقسیم می‌شوند. برای مثال، وقتی کلریدسدیم یا همان نمک طعام (NaCl) در آب حل می‌شود، به یون‌های مثبت سدیم و یون‌های منفی کلر تقسیم می‌شود.
کاربرد یونها در بدن انسان
| یون | عملکرد |
| Na+یون سدیم | تنظیم فشار اسمزی و محتوای آب بدن، انتقال سیگنال‌های عصبی، انقباضی ماهیچه‌ها و… |
| K+یون پتاسیم | انتقال علائم عصبی، انقباض ماهیچه‌ها از جمله ماهیچه‌های قلب و… |
| Mg۲+یون منیزیم | انقباض ماهیچه‌ها، تشکیل استخوان و دندان‌ها، فعال‌سازی آنزیم‌ها و… |
| Ca۲+یون کلسیم | انتقال علائم عصبی، انقباض ماهیچه‌ها، تشکیل استخوان‌ها و دندان‌ها، انعقاد خون و… |
| Cl–یون کلر | تنظیم فشار اسمزی و محتوای آب بدن، ترشح اسید معده و… |
جمع‌بندی
توضیح دادیم که یون چیست و گفتیم اتمی را که بار الکتریکی دارد یون می‌نامند. اتم در حالت عادی خنثی است زیرا تعداد پروتون‌ها و الکترون‌هایش برابر است و آن‌دو اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند. اما اگر اتم تحت شرایط خاصی یک یا چند الکترون از دست دهد، توازن بارها به نفع پروتون به‌هم می‌خورد و اتم به یون مثبت (کاتیون) تبدیل می‌شود. اما اگر اتم، الکترون اضافه جذب کند، توازن بار به نفع الکترون تغییر می‌کند و اتم عملاً یون منفی (آنیون) می‌شود. یونها در زندگی مهم هستند و در صنایع و فناوری‌های مختلف نیز کاربرد دارند. وجود بعضی از یونها در بدن انسان حیاتی است
