§ 4. Ионы — переносчики электрических зарядов

Определения и обозначения

Ион — электрически заряженная частица, образовавшаяся при отдаче или присоединении электронов атомом либо группой атомов. Если электронов стало меньше или больше, чем положительных зарядов протонов, частица уже не нейтральна. Понятие иона помогает описывать состав растворов и объяснять, как вещества переносят электрический заряд.

Катион — положительно заряженный ион. Он образуется, когда атом или группа атомов отдаёт один или несколько электронов: отрицательных зарядов становится меньше, чем положительных. Знак «плюс» в записи, например Na⁺, показывает, что частица имеет положительный заряд.

Анион — отрицательно заряженный ион. Он появляется, когда атом или группа атомов присоединяет электрон или несколько электронов, и отрицательных зарядов становится больше. Запись Cl⁻ указывает на отрицательный заряд, а сам термин помогает отличить такие частицы от положительных катионов.

Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или при плавлении. Электролитами называют вещества, чьи растворы или расплавы способны проводить ток благодаря подвижным ионам. Это понятие связывает превращение вещества в ионы с его электропроводностью.

Как это устроено

В атоме число протонов в ядре определяет положительный заряд, а электроны создают отрицательный заряд. В нейтральном атоме эти заряды уравновешены, но при химических превращениях атом может отдать электрон или получить его. Протоны при этом остаются в ядре, поэтому заряд меняется именно из-за изменения числа электронов. Например, при потере одного электрона частица получает заряд +1, а при присоединении одного — −1.

В твёрдой соли ионы удерживаются в упорядоченном расположении и обычно не могут свободно перемещаться по всему веществу. При растворении в воде частицы отделяются друг от друга и оказываются окружены молекулами воды; при плавлении разрушается твёрдая структура. Ионы приобретают возможность перемещаться, а это необходимо для переноса заряда. Поэтому растворы солей, кислот и щелочей и расплавы некоторых веществ проводят электрический ток.

Если к раствору или расплаву подключить электроды и создать электрическое поле, на заряженные частицы начинают действовать электрические силы. Положительный заряд притягивается к отрицательному электроду, поэтому катионы движутся именно туда. Отрицательный заряд притягивается к положительному электроду, и туда направляются анионы. Движение каждой группы определяется знаком её заряда, а не тем, из какого вещества ион образовался.

В электролите электрический ток представляет собой упорядоченное движение ионов обоих знаков. Катионы и анионы движутся навстречу друг другу, но каждый переносит заряд в своём направлении, поэтому оба вида частиц участвуют в создании тока. Электроны не перемещаются по раствору от одного электрода к другому: в жидкой части цепи заряд переносят ионы. Электроны движутся во внешней металлической цепи и на участках контакта проводников с электролитом.

В металлическом проводнике положительные частицы образуют узлы кристаллической решётки, а подвижными носителями заряда служат электроны. Под действием электрического поля они направленно перемещаются внутри металла. В растворе и расплаве электролита перенос заряда обеспечивают не электроны, а катионы и анионы, которые движутся в разные стороны. Поэтому при сравнении сред важно учитывать и то, какие частицы переносят заряд, и то, могут ли эти частицы свободно двигаться.

Перенос электрического заряда в металлах и электролитах

Сравнивая строки, сначала определите, какие частицы переносят заряд в выбранной среде. Затем проследите, как их знак задаёт направление движения в электрическом поле. Последний столбец показывает, почему одного наличия заряженных частиц недостаточно: носители должны быть подвижными.

Разбор задач

1. Определить заряд иона натрия Na⁺ и указать, отдал он электрон или присоединил

Условие. Дана запись иона натрия Na⁺. Нужно определить знак его заряда и выяснить, как он образовался относительно нейтрального атома натрия. Для решения используем значение верхнего знака и связь заряда с числом электронов.

1. В записи Na⁺ стоит знак «плюс», значит, ион заряжен положительно.
2. Положительный заряд возникает, когда электронов становится меньше, чем протонов: при присоединении электрона знак был бы отрицательным.
3. Следовательно, атом натрия отдал один электрон и превратился в катион Na⁺.

Ответ. Ион Na⁺ имеет заряд +1 и образован отдачей одного электрона. Проверка: после потери отрицательного заряда частица стала положительной.

2. Ионы Na⁺ и Cl⁻ движутся в растворе хлорида натрия

Условие. В растворе хлорида натрия есть катионы Na⁺ и анионы Cl⁻. Нужно указать, к каким электродам они направятся при пропускании тока. Направление определяем по знакам ионов, а не по названию соли.

1. У Na⁺ положительный заряд, поэтому это катион.
2. Катионы притягиваются к электроду с отрицательным зарядом и движутся к нему.
3. У Cl⁻ отрицательный заряд, поэтому это анион; он направляется к положительному электроду.

Ответ. Ионы Na⁺ движутся к отрицательному электроду, а ионы Cl⁻ — к положительному. Проверка: каждый ион направлен к электроду с противоположным знаком.

3. Сравнить прохождение тока в металлическом проводнике и растворе электролита

Условие. Нужно сравнить перенос заряда в металлическом проводнике и растворе электролита, назвать носители и особенности их движения. Важно не ограничиваться утверждением, что обе среды проводят ток: необходимо указать, какие частицы при этом перемещаются. Сопоставим их наличие и поведение в электрическом поле.

1. В металле носителями заряда служат свободные электроны, которые направленно перемещаются внутри проводника.
2. В растворе электролита заряд переносят подвижные катионы и анионы, а не электроны, движущиеся по жидкости.
3. Катионы идут к отрицательному электроду, анионы — к положительному, то есть две группы носителей движутся в противоположных направлениях.

Ответ. В металле ток создаёт направленное движение электронов, а в растворе электролита — направленное движение ионов обоих знаков. Чтобы ток шёл, электроны в металле или ионы в электролите должны иметь возможность перемещаться.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ион образуется при изменении числа протонов. Такой вывод путает строение ядра с изменением электронного облака: при обычном образовании иона число протонов сохраняется. Ошибку допускают, потому что заряд частицы связывают с ядром, но в данном случае меняется число электронов. Проверка: сравните запись атома и иона — заряд объясняется отдачей или присоединением электронов.

Ошибка: перепутать знак катиона с направлением его движения. Катион положителен, но движется к отрицательному электроду, а не к положительному. Обычно знак «плюс» ошибочно воспринимают как указание на одноимённый электрод. Проверка: вспомните, что разноимённые заряды притягиваются.

Ошибка: считать, что в растворе ток переносят только катионы. Участвуют и катионы, и анионы: каждый вид движется к электроду противоположного знака. Это заблуждение возникает, если замечать только положительные ионы или направление движения одной группы. Проверка: найдите в растворе частицы обоих знаков и укажите направление каждой из них.

Ошибка: называть перенос заряда в электролите движением электронов. В растворе или расплаве перемещаются ионы, а электроны проходят по внешней металлической цепи и участвуют в процессах на границе с электродами. Ошибка связана с тем, что электронный перенос знаком по работе металлических проводников. Проверка: назовите носители отдельно для участка цепи в электролите и металлических проводов.

Связь с другими темами

Для понимания ионов нужно знать строение атома, заряд электрона и смысл электрического тока как направленного движения зарядов. Эти знания позволяют объяснить, почему растворы и расплавы электролитов проводят ток: в них есть подвижные заряженные частицы. Движение ионов пригодится при изучении электролиза, где ионы участвуют в процессах на электродах, и химических источников тока, в которых химические превращения связаны с электрическим током.

Что запомнить

• Ион — электрически заряженная частица.
• При отдаче электронов образуется катион.
• При присоединении электронов образуется анион.
• Растворы и расплавы электролитов содержат подвижные ионы.
• Катионы движутся к отрицательному электроду, анионы — к положительному.
• В электролитах электрический ток создаёт направленное движение ионов обоих знаков.