§ 41. Свойства ионов

Определения и обозначения

Ион — частица с электрическим зарядом, образовавшаяся из атома или группы атомов при потере или присоединении электронов. В отличие от нейтрального атома, ион имеет разное число протонов и электронов. Это понятие помогает описывать состав растворов и объяснять, какие частицы участвуют в химических реакциях.

Катион — положительно заряженный ион, который образуется, когда атом или группа атомов отдаёт электроны. После потери отрицательно заряженных электронов положительный заряд протонов оказывается больше. Знак «+» в записи, например Na⁺, помогает сразу распознать такой ион.

Анион — отрицательно заряженный ион, образующийся при присоединении электронов. Электронов становится больше, чем протонов, поэтому частица получает отрицательный заряд. Знак «−» в записи, например Cl⁻, отличает анион от катиона.

Качественная реакция на ион — реакция, по характерному признаку которой можно обнаружить этот ион. Таким признаком бывает осадок определённого цвета, выделение газа или изменение окраски раствора. Понятие нужно, чтобы распознавать неизвестные вещества по результатам простого опыта.

Как это устроено

В нейтральном атоме число положительных протонов равно числу отрицательных электронов, поэтому их заряды взаимно компенсируются. Если атом теряет электроны или присоединяет их, равенство нарушается, и появляется ион. Число протонов при обычном образовании иона не меняется: меняется только электронная оболочка, то есть число и расположение электронов.

У одного элемента ион сохраняет тот же заряд ядра, что и нейтральный атом, но его электронное строение уже отличается. Например, Na⁺ образуется из атома натрия Na при потере одного электрона, а Cl⁻ — из атома хлора при присоединении одного электрона. Поэтому запись заряда сообщает, сколько электронов частица потеряла или получила, если сравнивать её с нейтральным атомом.

Свойства частицы определяются не только тем, какие атомы входят в её состав, но и её зарядом. При образовании иона меняется электронное строение, а значит, меняется и взаимодействие частицы с другими веществами. Поэтому нельзя переносить свойства простого вещества на ион того же элемента: например, металлическая медь и ионы Cu²⁺ в растворе — не одно и то же.

В растворе ионы подвижны и могут встречаться с частицами добавленного реактива. Если продукты такой реакции плохо растворяются, они собираются в твёрдую фазу и становятся видимым осадком; в других случаях может выделиться газ или измениться окраска. Именно поэтому по наблюдаемому признаку можно обнаруживать некоторые ионы, хотя сами они растворены и не видны.

Характерный результат помогает распознать отдельные ионы: например, Cu²⁺ даёт голубой осадок с щёлочью, а Fe³⁺ — бурый. Ионы Cl⁻ и SO₄²⁻ можно обнаружить реактивами, которые дают с ними малорастворимые соли. При смешивании растворов электролитов реагируют прежде всего ионы, а зрительный признак показывает, какие из них образовали новый продукт.

Ионы и характерные признаки их обнаружения

Пользуясь таблицей, сначала выбери реактив, затем сравни наблюдение с признаком в последнем столбце. Цвет и условия реакции важны: белый осадок сам по себе ещё не указывает однозначно на конкретный ион. Записи формул показывают, какие вещества образуются при обнаружении.

Разбор задач

1. Катионы и анионы

Условие: установи, какие из формул Na⁺, O²⁻ и NH₄⁺ обозначают катионы, а какие — анионы. Нужно определить вид каждой частицы по знаку заряда, а не по тому, из скольких атомов она состоит.

1. Найди знак заряда после каждой формулы.
2. Положительный заряд «+» означает катион, отрицательный «−» — анион; цифра показывает величину заряда.
3. У Na⁺ и NH₄⁺ заряд положительный, а у O²⁻ — отрицательный.

Ответ: Na⁺ и NH₄⁺ — катионы, O²⁻ — анион. NH₄⁺ состоит из нескольких атомов, но вместе они образуют один положительно заряженный ион.

2. Белый осадок с ионами серебра

Условие: к раствору неизвестного вещества добавили раствор, содержащий ионы серебра, и появился белый осадок. Определи, какой ион мог находиться в исходном растворе. Важно не просто отметить осадок, а соотнести цвет и добавленный реактив с таблицей качественных реакций.

1. Учитывай, что реактив вносит в раствор ионы Ag⁺.
2. Сравни признак с известными реакциями: Ag⁺ образует белый малорастворимый AgCl при встрече с Cl⁻.
3. Сделай вывод, что осадок мог появиться из-за ионов Cl⁻ в исходном растворе.

Ответ: вероятно, в исходном растворе были ионы Cl⁻. Белый осадок — AgCl; для уверенного вывода также учитывают условия опыта и отсутствие других веществ, способных дать похожий результат.

3. Как различить Cu²⁺ и Fe³⁺

Условие: предложи способ различить два раствора, один из которых содержит Cu²⁺, а другой — Fe³⁺, и укажи ожидаемые признаки. Подходящий реактив должен давать с этими ионами результаты, которые легко сравнить.

1. Добавь к отдельным пробам каждого раствора немного раствора щёлочи.
2. Наблюдай за образованием осадка и его цветом, не смешивая пробы между собой.
3. Голубой осадок указывает на Cu(OH)₂ и присутствие Cu²⁺; бурый — на Fe(OH)₃ и присутствие Fe³⁺.

Ответ: щёлочь позволяет различить растворы по цвету осадка: голубой соответствует Cu²⁺, бурый — Fe³⁺. Вывод основан на характерном продукте реакции, а не только на том, что в обоих случаях появляется твёрдое вещество.

Типичные ошибки

• Считать, что ион и атом одного элемента имеют одинаковые свойства. Это неверно, потому что при образовании иона меняется число электронов и появляется заряд; ошибку допускают, когда ориентируются только на название элемента. Проверь себя: сравни электронное строение и заряд атома и иона.
• Путать знаки катиона и аниона. Иногда запоминают названия, но не связывают их с зарядом; катион положителен, анион отрицателен. Проверь знак в записи: «+» означает катион, «−» — анион.
• Записывать заряд как индекс или индекс как заряд. Индекс показывает число частиц или атомов в формуле, а заряд относится к одной частице; похожие цифры легко принять за одно и то же. Проверь положение цифры: индекс ставят внизу, заряд — вверху рядом со знаком.
• Делать вывод об ионе только по появлению осадка. Разные реакции могут давать осадки, поэтому без цвета и условий признак недостаточен; ошибка возникает, если не сравнить результат с конкретной качественной реакцией. Проверь, какой реактив добавлен и совпадает ли наблюдаемый цвет с ожидаемым.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, заряде электрона и о том, как атомы отдают или присоединяют электроны. Они объясняют появление заряда и различие катионов и анионов. Также пригодятся представления о растворах электролитов и осадках: в растворе электролит распадается на подвижные ионы, а некоторые продукты их взаимодействия выпадают в осадок. Эти знания используют при изучении реакций ионного обмена и качественного анализа веществ.

Что запомнить

• Ион — заряженная частица.
• Катионы имеют положительный заряд, анионы — отрицательный.
• При образовании иона число протонов в ядре не меняется, меняется число электронов.
• Химические свойства иона не следует отождествлять со свойствами атома того же элемента.
• Некоторые ионы можно обнаружить по характерному осадку, газу или изменению окраски.
• Качественную реакцию распознают по её наблюдаемому признаку.