יונים - כאשר אטומים מקבלים מטען
גלו מה קורה כשאטום מאבד או מקבל אלקטרונים, ואיך שינוי קטן בענן האלקטרונים יוצר יון.
מהו יון?
למה אטומים מאבדים או מקבלים אלקטרונים?
למדנו שאטומים "שואפים" להגיע למצב יציב - קליפה חיצונית מלאה.
לאבד אלקטרונים
לקבל אלקטרונים
מטרה: להגיע למצב של גז אציל - קליפה חיצונית עם 2 או 8 אלקטרונים.
קטיון מול אניון
קטיון (Cation)
יון בעל מטען חיובי (+). נוצר כאשר אטום מאבד אלקטרונים.
דוגמה: Na⁺ ← Na
(11p, 10e) ← (11p, 11e)
מטען +1 ← איבד 1 אלקטרון
אניון (Anion)
יון בעל מטען שלילי (-). נוצר כאשר אטום מקבל אלקטרונים.
דוגמה: Cl⁻ ← Cl
(17p, 18e) ← (17p, 17e)
מטען -1 ← קיבל 1 אלקטרון
זכירה: קטיון = קיבל מטען חיובי (איבד אלקטרונים שליליים)
שאלה לחשיבה
אטום מגנזיום (Mg, Z=12) מאבד 2 אלקטרונים. מה יהיה המטען של היון שנוצר? מה יהיה המבנה האלקטרוני שלו?
מגנזיום ניטרלי: 12 פרוטונים, 12 אלקטרונים, מבנה 2,8,2. אחרי איבוד 2 אלקטרונים: 12 פרוטונים, 10 אלקטרונים. מטען = 12-10 = +2, ולכן הסימון הוא Mg²⁺. המבנה האלקטרוני שלו הוא 2,8 - בדיוק כמו ניאון (גז אציל), ולכן הוא יציב מאוד!
חישוב מטען היון
מטען חשמלי = מספר פרוטונים - מספר אלקטרונים
דוגמה 1: יון נתרן (Na⁺)
• פרוטונים: 11 (חיוביים)
• אלקטרונים: 10 (שליליים)
• מטען: 11 - 10 = +1
דוגמה 2: יון כלור (Cl⁻)
• פרוטונים: 17 (חיוביים)
• אלקטרונים: 18 (שליליים)
• מטען: 17 - 18 = -1
דוגמאות ליונים נפוצים
Na⁺ ← נתרן (Na)
אטום נתרן:
• Z = 11 (11p, 11e)
• מבנה: 2,8,1
יון נתרן (קטיון):
• 11p, 10e
• מבנה: 2,8 (כמו ניאון!)
• מטען: +1
למה? קל יותר לאבד 1 מאשר לקבל 7!
Cl⁻ ← כלור (Cl)
אטום כלור:
• Z = 17 (17p, 17e)
• מבנה: 2,8,7
יון כלור (אניון):
• 17p, 18e
• מבנה: 2,8,8 (כמו ארגון!)
• מטען: -1
למה? קל יותר לקבל 1 מאשר לאבד 7!
Mg²⁺ ← מגנזיום (Mg)
אטום מגנזיום:
• Z = 12 (12p, 12e)
• מבנה: 2,8,2
יון מגנזיום:
• 12p, 10e
• מבנה: 2,8
• מטען: +2
איבד 2 אלקטרונים!
O²⁻ ← חמצן (O)
אטום חמצן:
• Z = 8 (8p, 8e)
• מבנה: 2,6
יון חמצן:
• 8p, 10e
• מבנה: 2,8
• מטען: -2
קיבל 2 אלקטרונים!
Al³⁺ ← אלומיניום (Al)
אטום אלומיניום:
• Z = 13 (13p, 13e)
• מבנה: 2,8,3
יון אלומיניום:
• 13p, 10e
• מבנה: 2,8
• מטען: +3
איבד 3 אלקטרונים!
N³⁻ ← חנקן (N)
אטום חנקן:
• Z = 7 (7p, 7e)
• מבנה: 2,5
יון חנקן:
• 7p, 10e
• מבנה: 2,8
• מטען: -3
קיבל 3 אלקטרונים!
יונים נפוצים ומטענים
| יסוד | סימן | Z | מבנה אלקטרוני | יון | מבנה היון | מטען |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ליתיום | Li | 3 | 2,1 | Li⁺ | 2 | +1 |
| נתרן | Na | 11 | 2,8,1 | Na⁺ | 2,8 | +1 |
| אשלגן | K | 19 | 2,8,8,1 | K⁺ | 2,8,8 | +1 |
| מגנזיום | Mg | 12 | 2,8,2 | Mg²⁺ | 2,8 | +2 |
| סידן | Ca | 20 | 2,8,8,2 | Ca²⁺ | 2,8,8 | +2 |
| אלומיניום | Al | 13 | 2,8,3 | Al³⁺ | 2,8 | +3 |
| פלואור | F | 9 | 2,7 | F⁻ | 2,8 | -1 |
| כלור | Cl | 17 | 2,8,7 | Cl⁻ | 2,8,8 | -1 |
| חמצן | O | 8 | 2,6 | O²⁻ | 2,8 | -2 |
| גופרית | S | 16 | 2,8,6 | S²⁻ | 2,8,8 | -2 |
| חנקן | N | 7 | 2,5 | N³⁻ | 2,8 | -3 |
* שימו לב: כל היונים הגיעו למבנה אלקטרוני של גז אציל (יציב)!
תכונות יונים
יונים נמשכים זה לזה
קטיונים (+) ואניונים (-) נמשכים זה לזה ויוצרים קשר יוני (כמו NaCl - מלח).
יונים מוליכים חשמל
תמיסות עם יונים (כמו מי ים) מוליכות חשמל כי היונים נעים בחופשיות.
יונים בגוף
יונים כמו Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻ חיוניים לחיים - מעבירים אותות עצביים ומווסתים פעילות תאים.
גודל יון מול אטום
קטיונים קטנים יותר מהאטום המקורי, אניונים גדולים יותר מהאטום המקורי.
שאלה לחשיבה
האם יון נתרן (Na⁺) הוא עדיין נתרן?
כן! יון נתרן הוא עדיין נתרן.
למה?
זהות היסוד נקבעת על ידי מספר הפרוטונים (Z).
• אטום נתרן: 11 פרוטונים
• יון נתרן (Na⁺): 11 פרוטונים
אותו מספר פרוטונים = אותו יסוד!
מה כן השתנה?
• מספר האלקטרונים: 10 ← 11
• המטען החשמלי: +1 ← 0
• המבנה האלקטרוני: (2,8) ← (2,8,1)
• התכונות הכימיות: השתנו!
אבל זה עדיין נתרן - לא הפך למגנזיום או לניאון.
יון נתרן (Na⁺) מתנהג שונה מאוד מאטום נתרן (Na). אטום נתרן הוא מתכת תגובתית, יון נתרן הוא יון יציב במלח שולחן!
שאלה לחשיבה
למה נתרן יוצר בדרך כלל יון +1 וכלור יון -1?
לנתרן יש אלקטרון ערכיות אחד, ולכן קל לו לאבד אותו ולהפוך ליון +1. לכלור חסר אלקטרון אחד להשלמת קליפה חיצונית, ולכן קל לו לקלוט אלקטרון ולהפוך ליון -1.
איך לזכור: קטיון או אניון?
דרכים לזכור:
- קטיון = מטען חיובי (קיבל מטען חיובי כי איבד אלקטרונים שליליים)
- אניון = מטען שלילי (האות נ דומה למינוס -)
- Cation = + (האות t דומה לפלוס +)
- Anion = - (האות n יש בה קו מינוס -)
- מתכות ← קטיונים (+), לא-מתכות ← אניונים (-)
קטיון = +
איבד אלקטרונים ← מטען חיובי
אניון = -
קיבל אלקטרונים ← מטען שלילי
יציבות = מטרה
יונים מגיעים למבנה גז אציל
יונים הם הכוח המניע של תהליכים רבים בגוף ובטבע.
יונים בגוף האדם:
- נתרן (Na⁺) ואשלגן (K⁺): שולטים על העברת אותות עצביים בין תאי המוח והשרירים
- סידן (Ca²⁺): חיוני לבניית עצמות ושיניים, התכווצות שרירים, וקרישת דם
- כלור (Cl⁻): מרכיב במיצי עיכול, עוזר לשמור על איזון נוזלים
- ברזל (Fe²⁺ / Fe³⁺): מרכיב בהמוגלובין, חלבון שמעביר חמצן בדם
- מגנזיום (Mg²⁺): מפעיל מאות אנזימים בגוף
יונים בטכנולוגיה:
- סוללות ליתיום (Li⁺): בטלפונים ניידים ומחשבים ניידים
- מלח שולחן (NaCl): נתרן וכלור יוניים, חיוני לחיים
- אלקטרוליטים: משקאות ספורט מכילים יונים לאיזון נוזלים
- טיהור מים: הסרת יונים מזיקים (כמו עופרת Pb²⁺)
ללא יונים, לא היו תאים חיים, לא היו אותות עצביים, ולא היו סוללות!
שאלה לחשיבה
כשמוסיפים מלח (NaCl) למים, למה המים מתחילים להוליך חשמל?
מלח שולחן בנוי מיוני Na⁺ ו-Cl⁻ הקשורים בקשר יוני. כשהמלח מתמוסס במים, הקשרים היוניים נשברים והיונים מתפזרים בחופשיות בתמיסה. יונים חופשיים אלו יכולים לנוע לכיוון מטענים חשמליים - הקטיונים לכיוון השלילי והאניונים לכיוון החיובי - וכך נוצר זרם חשמלי. מים טהורים כמעט לא מוליכים כי אין בהם יונים חופשיים.