Hvað eru jónir og hvað gera þær?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvað eru jónir og hvað gera þær?
Kvenkynsorðið jón (í fleirtölu jónir) er íslenska heitið á hugtakinu sem heitir á ensku og fleiri málum "ion". Þetta er samheiti yfir hlaðnar agnir, hvort sem þær hafa jákvæða eða neikvæða hleðslu.

Allt efni er samsett úr atómum sem menn sjá yfirleitt fyrir sér sem kúlulaga. Þau eru samsett úr róteindum, nifteindum og rafeindum. Róteind hefur jákvæða (+) hleðslu, nifteind er óhlaðin og rafeind hefur neikvæða (-) hleðslu. Massi róteinda og nifteinda er nánast eins, en rafeind er 1836 sinnum léttari en róteind. Róteindir og nifteindir mynda saman kjarna sem er örsmár miðað við heildarstærð atómsins og rafeindirnar eru á handahófskenndri hreyfingu í kringum kjarnann. Stærðarhlutföllunum er stundum lýst þannig að kjarninn væri eins og fiskifluga í miðjunni ef settir væru saman á hliðunum tveir fótboltavellir sem afmörkuðu stærð atómsins.

Orðið atóm felur í sér að um sé að ræða óhlaðna ögn. Kjarninn er jákvætt hlaðinn en umhverfis hann eru jafnmargar rafeindir og róteindir eru í kjarnanum, og því jafnast hleðslurnar út; atómið er óhlaðið út á við.

Ef atóm gefur frá sér rafeind eða rafeindir af rafeindaskýinu sem er umhverfis kjarnann myndast hlaðin ögn eða jón. Jákvæðu hleðslurnar í kjarnanum eru þá fleiri en neikvæðu rafeindirnar umhverfis kjarnann og því er ögnin jákvætt hlaðin. Jákvætt hlaðin ögn er kölluð katjón, bakjón eða plúsjón (e. cation). Katjónin sem hér var lýst væri kölluð einatóma katjón, þar sem um væri að ræða einfalda katjón sem myndast úr einu atómi.

Hleðsla jónarinnar er gefin til kynna með tákni eins og sýnt er í þessum dæmum: Na⁺, Ca²⁺, K⁺ og Fe³⁺. Tölustafurinn gefur stærð hleðslunnar til kynna. Í Na⁺, hefur natrínatómið tapað einni rafeind og í Fe³⁺ hefur járnatóm tapað þremur rafeindum og því er jákvæða hleðslan þrjár plúshleðslur.

Ef óhlaðið atóm tekur hins vegar upp rafeind eða rafeindir frá umhverfinu og þær bætast í rafeindaskýið umhverfis kjarnann, eru á ögninni fleiri rafeindir heldur en sem nemur kjarnhleðslunni. Við þetta myndast neikvætt hlaðin ögn eða anjón sem hefur einnig verið kölluð forjón eða mínusjón (e. anion). Á hliðstæðan hátt og hjá katjónum er hleðsla jónarinnar gefin til kynna með efnatákni frumefnisins með mínustákni (-) fyrir ofan og aftan. Tölustafurinn sem stendur með mínus merkinu gefur stærð hleðslunnar til kynna. Dæmi um þetta eru Cl^-, F^-, S^2-og Se^2-.

Hér hefur verið lýst dæmum um einatóma jónir, það er að segja jónir sem myndast úr einu atómi. Jónir geta einnig verið fleiratóma, þannig að úr nokkrum atómum myndast skilgreint efnasamband sem auk þess nær sér í rafeindir til viðbótar frá umhverfinu (anjónir) eða gefur frá sér rafeindir (katjónir). Dæmi um fleiratóma anjónir eru SO₄^2- (súlfat), CO₃^2- (karbónat) og PO₄^3- (fosfat).

Í anjóninni SO₄^2- er að finna rafeindir sem fylgja brennisteinsatóminu, rafeindir sem fylgja súrefnisatómunum fjórum og tvær rafeindir til viðbótar sem einingin SO₄ nælir sér í frá umhverfinu. Hleðsla anjónarinnar er því tveir mínusar og hún er eins og áður táknuð með tölustafnum tveimur og mínusmerki, upphækkuð fyrir aftan efnatáknin sem gefa samsetningu anjónarinnar til kynna.

Hliðstæð skýring gildir um katjónir og dæmi um algenga fleiratóma katjón er NH₄⁺ (ammóníumjónin).

Þar sem massi rafeinda er óverulegur miðað við massa róteinda og nifteinda er massi atómsins nánast hinn sami og massi kjarnans. Það hefur því nánast engin áhrif á massann að bæta við rafeindum og mynda anjónir eða fjarlægja rafeindir og mynda katjónir. Massi einatóma jóna er því hinn sami og massi atómanna sem jónirnar eru myndaðar úr.

Um aðdrátt og fráhrindingu milli jóna gildir sama regla og um krafta milli plús- og mínushleðslna yfirleitt: Fráhrinding milli samstæðra jóna en aðdráttarkraftur milli anjónar og katjónar. Úr anjónum og katjónum má mynda föst efni, svokölluð jónísk efni, en einkenni þeirra er að þau eru samsett úr anjónum og katjónum. Anjónirnar eru stöðugar sem anjónir og katjónirnar sem katjónir og sterkir rafkraftar draga jónirnar hvora að annarri og halda þeim saman í kristallsgrind.

Dæmi um slíkt efni er matarsalt eða NaCl (natríumklóríð), sem er jónískt efni samsett úr katjónum (Na⁺) og anjónum (Cl^-). Þegar matarsalt er sett í vatn leysist það upp; það losnar um katjónirnar og anjónirnar og þetta ferli má tákna á eftirfarandi hátt:

NaCl_(s) ---> Na⁺_(aq) + Cl^-_(aq)

Katjónirnar og anjónirnar eru í vatninu, umluktar vatnssameindum sem mynda nokkurs konar hjúp eða skjöld utan um þær og þannig “synda” þær um í vatninu. Táknið í sviganum (aq) þýðir að jónirnar eru uppleystar og umluktar vatnssameindum. Það vísar í latneska orðið "aqua" sem þýðir vatn, en táknið (s) við saltsameindina NaCl vísar í "solidus" og merkir að saltið er í storkuham sem kallað er eða í föstu formi áður en það leysist upp.

Spyrjandinn spyr einnig um hvað jónir geri. Þegar stórt er spurt verður oft erfitt um svör og sérstaklega stutt og einföld svör. Um hlutverk og virkni jóna væri hægt og er reyndar búið að skrifa margar bækur. Til að gefa einhverja mynd af virkni jóna má benda á að sjórinn er saltur en í honum eru uppleyst sölt á jónaformi. Í blóði og frumuvökva eru einnig uppleyst sölt og þegar fólki er gefinn vökvi í æð er lífsnauðsynlegt að gæta þess að saltstyrkur vökvans sé sá sami og fyrir er í blóðinu. Jónir koma víða við í lífefnafræðilegum ferlum og eru gjarnan í lykilhlutverki þegar um lífhvata er að ræða. Kalsínjónir leika til að mynda stórt hlutverk í vöðvasamdrætti í líkamanum, natrín- og kalínjónir gegna lykilhlutverki í flutningi taugaboða og svo mætti lengi telja.

Skoðið einnig skyld svör:

• Hvað er atóm? eftir Árdísi Elíasdóttur.
• Af hverju haldast hlutir eins og atóm og sameindir saman í heilu lagi? eftir Ágúst Valfells.
• Er hægt að sjá eitt atóm eða eina rafeind? eftir Þorstein Vilhjálmsson.
• Hvernig leysist salt (NaCl) upp í vatni? eftir Ágúst Kvaran.
• Hvers vegna er sjórinn saltur? eftir Sigurð Steinþórsson.
• Hvaðan kemur saltið? Er það sama saltið og er í sjónum? eftir Ulriku Andersson.

Mynd: HB...