تكون الأيون

تكون الأيون

Ion Formation

الأهداف

• تعرف الرابطة الكيميائية.
• تصف تكوين الأيونات الموجبة والسالبة.
• تربط بين تكون الأيون وتوزيعه الإلكتروني.

مراجعة المفردات

القاعدة الثمانية: تميل الذرات إلى اكتساب الإلكترونات أو فقدانها أو مشاركتها للحصول على ثمانية إلكترونات تكافؤ.

المفردات الجديدة

• الرابطة الكيميائية
• الكاتيون
• الأنيون

الفكرة الرئيسية

تتكون الأيونات عندما تفقد الذرات إلكترونات التكافؤ أو تكتسبها لتصل إلى التوزيع الإلكتروني الثماني الأكثر استقرارًا.

الربط مع الحياة

تخيل أنك ذاهب ومجموعة من الأصدقاء لتلعبوا كرة القدم، فوجدتم هناك مجموعة أخرى أكثر عددًا يريدون اللعب أيضًا، فاتفقتم على تشكيل فريقين متساويين؛ مما يؤدي إلى أن تفقد إحدى المجموعتين بعض لاعبيها لينضموا إلى المجموعة الأخرى. وهكذا بطريقة مشابهة يكون سلوك الذرات أحيانًا عند تكوين المركبات.

---

الرابطة الكيميائية

Chemical bond

تحتوي الذرة كما تعلم على الإلكترونات سالبة الشحنة تحيط بنواة تتضمن بروتونات موجبة الشحنة، بالإضافة إلى النيوترونات المتعادلة الشحنة.

وتكون الذرة متعادلة الشحنة لأن عدد الإلكترونات السالبة فيها مساوٍ لعدد البروتونات الموجبة.

وتميل جميع الذرات إلى الوصول لحالة من الاستقرار حيث تكون طاقتها أقل ما يمكن، ويكون باستكمال مستوى طاقة آخر ممتلئ بالإلكترونات.

ويمكن أن يحدث ذلك من خلال الرابطة الكيميائية؛ وهي عبارة عن قوة تجاذب تنشأ بين ذرتين أو أكثر من خلال فقد الذرة للإلكترونات أو اكتسابها أو المساهمة فيها بالاشتراك مع ذرة أو ذرات أخرى.

---

تكوين الأيون الموجب

Positive Ion Formation

يتكون الأيون الموجب عندما تفقد الذرة إلكترون تكافؤ واحدًا أو أكثر لتحصل على التوزيع الإلكتروني المشابه للتوزيع الإلكتروني لأقرب غاز نبيل.

ويسمى الأيون الموجب بالكاتيون.

ولفهم تكوين الأيون الموجب قارن بين التوزيع الإلكتروني لغاز النيون النبيل والتوزيع الإلكتروني لفلز الصوديوم وأيون الصوديوم:

| الذرة / الأيون | التوزيع الإلكتروني |
| ----------------- | ------------------ |
| ذرة النيون Ne | 1s² 2s² 2p⁶ |
| ذرة الصوديوم Na | 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ |
| أيون الصوديوم Na⁺ | 1s² 2s² 2p⁶ |

لذرة الصوديوم إلكترون تكافؤ واحد في المستوى 3s، ولذا فهي تختلف عن ذرة غاز النيون النبيل بهذا الإلكترون الإضافي.

وعندما تفقد ذرة الصوديوم هذا الإلكترون، تحصل على توزيع إلكتروني مستقر مشابه للتوزيع الإلكتروني لذرة النيون.

ويوضح الشكل 3-1 كيف تفقد ذرة الصوديوم إلكترون التكافؤ لتتحول إلى كاتيون.

---

الشكل 3-1

الصورة التابعة: صفحة85_الشكل_3_1_تكوين_أيون_الصوديوم_الموجب.png

يتكون الأيون الموجب عند فقد الذرة المتعادلة واحدًا أو أكثر من إلكترونات التكافؤ.

تحتوي الذرة المتعادلة كهربائيًا على أعداد متساوية من البروتونات والإلكترونات، في حين يحتوي الأيون الموجب على عدد من البروتونات أكبر من عدد الإلكترونات.

حلل

هل يحتاج انتزاع إلكترون من ذرة متعادلة إلى امتصاص الطاقة أم انبعاثها؟

المعادلة الموضحة في الشكل:

إلكترون e⁻ + أيون صوديوم Na⁺ ← طاقة + ذرة صوديوم Na

أو بصورة تكوين الأيون:

Na → Na⁺ + e⁻

ومن الضروري معرفة أنه رغم حصول ذرة الصوديوم على توزيع إلكتروني مشابه للتوزيع الإلكتروني لذرة النيون، إلا أنها لا تتحول إلى ذرة نيون، بل تتحول إلى أيون صوديوم أحادي الشحنة الموجبة، وأن عدد البروتونات 11 الذي يميز ذرة الصوديوم ما زال ثابتًا داخل النواة لم يتغير.

ماذا قرأت؟

ما عدد إلكترونات مستوى الطاقة الخارجي لذرة مستقرة؟

---

أيونات الفلزات

إن ذرات الفلزات نشطة كيميائيًا؛ لأنها تفقد إلكترونات تكافؤها بسهولة.

فلزات المجموعتين الأولى والثانية أكثر الفلزات نشاطًا في الجدول الدوري.

فعلى سبيل المثال، تكون فلزات البوتاسيوم والماغنسيوم الموجودة في المجموعتين 1 و2 على الترتيب، الأيونات K⁺ و Mg²⁺، كما تكون بعض ذرات عناصر المجموعة 13 أيونات موجبة أيضًا.

ويلخص الجدول 3-1 الأيونات التي تكونها ذرات فلزات المجموعات 1 و2 و13.

الجدول 3-1

أيونات المجموعات 1 و2 و13

الصورة التابعة: صفحة85_الجدول_3_1_أيونات_المجموعات_1_و2_و13.png

| المجموعة | التوزيع | شحنة الأيون المتكون |
| -------- | ----------------- | ------------------------- |
| 1 | ns¹ [غاز نبيل] | +1 عند فقد إلكترون s¹ |
| 2 | ns² [غاز نبيل] | +2 عند فقد إلكتروني s² |
| 13 | ns²np¹ [غاز نبيل] | +3 عند فقد إلكترونات s²p¹ |

---

أيونات الفلزات الانتقالية

تذكر أن مستوى الطاقة الخارجي للفلزات الانتقالية هو ns². وعند الانتقال من اليسار إلى اليمين عبر الدورة تقوم ذرة كل عنصر بإضافة إلكترون إلى المستوى الثانوي d.

وعادة ما تفقد الفلزات الانتقالية إلكترونين من إلكترونات التكافؤ لتكون أيونات موجبة ثنائية الشحنة +2، وقد تفقد أيضًا الإلكترونات من المستوى d.

لذا تكون الفلزات الانتقالية أيونات موجبة ثلاثية الشحنة +3 أو أكثر حسب عدد إلكترونات المستوى d، ولكن من الصعب التنبؤ بعدد الإلكترونات التي يمكن فقدانها.

فعلى سبيل المثال، يكون الحديد أيونات Fe²⁺ وأيونات Fe³⁺. ولكن يمكن القول إن من المؤكد أن هذه الفلزات تكون أيونات موجبة ثنائية أو ثلاثية الشحنة.

وعلى الرغم من أن توزيع الإلكترونات الثماني هو التوزيع الإلكتروني للذرة المستقرة، إلا أنه يوجد توزيعات أخرى للإلكترونات تزودها ببعض الاستقرار.

---

الشكل 3-2

الصورة التابعة: صفحة86_الشكل_3_2_تكوين_أيون_الخارصين_الموجب.png

عندما يتفاعل الخارصين مع اليود فإن حرارة التفاعل تجعل اليود الصلب يتسامى إلى بخار بنفسجي اللون، ويتكون أسفل الأنبوب ZnI₂ الذي يحتوي على أيون Zn²⁺ الذي توزيعه الإلكتروني شبيه بالتوزيع الإلكتروني للغاز النبيل.

التوزيع الموضح:

ذرة الخارصين Zn:

[Ar] 4s² 3d¹⁰

عند فقد إلكتروني تكافؤ من المستوى 4s:

Zn²⁺:

[Ar] 3d¹⁰ + 2e⁻

عند فقد إلكتروني تكافؤ من المستوى 4s يتكون توزيع إلكتروني من مستويات s وp وd مملوءة بالإلكترونات، يشبه التوزيع الإلكتروني للغاز النبيل.

ففي سبيل المثال، تفقد ذرات عناصر المجموعات 14-11 إلكترونات لتكون مستوى طاقة خارجيًا ذا مستويات ثانوية، وهي s وp وd، مملوءة بالإلكترونات.

ويبين الشكل 3-2 التوزيع الإلكتروني لذرة الخارصين:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰

وعندما تكون ذرة الخارصين الأيون الثنائي الموجب تفقد إلكترونين من المستوى 4s، وينتج التوزيع الإلكتروني المستقر:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰

ويشار إلى هذا التوزيع الإلكتروني المستقر نسبيًا بالتوزيع الإلكتروني الشبيه بالغاز النبيل.

---

تكوين الأيون السالب

Negative Ion Formation

تميل عناصر اللافلزات الموجودة يمين الجدول الدوري إلى اكتساب الإلكترونات بسهولة لتحصل على توزيع إلكتروني خارجي مستقر، كما في الشكل 3-3.

وللحصول على توزيع إلكتروني مشابه للتوزيع الإلكتروني للغاز النبيل تكتسب ذرة الكلور إلكترونًا لتكون أيونًا شحنته -1، ويصبح التوزيع الإلكتروني لأيون الكلوريد بعد اكتساب الإلكترون مثل التوزيع الإلكتروني للأرجون.

| الذرة / الأيون | التوزيع الإلكتروني |
| -------------- | ------------------- |
| ذرة Cl | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ |
| ذرة Ar | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ |
| أيون Cl⁻ | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ |

ويسمى الأيون السالب بالأنيون.

ولتسمية الأيونات السالبة يضاف المقطع "يد" إلى نهاية اسم العنصر، فتصبح ذرة الكلور أيون كلوريد.

سؤال: فما اسم أيون النيتروجين؟

الإجابة: أيون النيتريد.

---

الشكل 3-3

الصورة التابعة: صفحة86_الشكل_3_3_تكوين_أيون_الكلوريد_السالب.png

في أثناء تكون أيون الكلوريد السالب تكتسب ذرة الكلور المتعادلة إلكترونًا، وينتج عن هذه العملية انبعاث 349 kJ/mol من الطاقة.

المعادلة الموضحة:

طاقة + أيون كلوريد Cl⁻ ← إلكترون e⁻ + ذرة كلور Cl

أو:

Cl + e⁻ → Cl⁻

قارن

كيف تختلف الطاقة المصاحبة لتكوين أيون موجب عن الطاقة المصاحبة لتكوين أيون سالب؟

---

أيونات اللافلزات

تكتسب بعض اللافلزات عددًا من الإلكترونات، وعندما تضاف إلى إلكترونات تكافئها تصل إلى التوزيع الإلكتروني الثماني الأكثر استقرارًا.

فعلى سبيل المثال، لذرة الفوسفور خمسة إلكترونات تكافؤ، وحتى تحصل على التوزيع الإلكتروني الثماني المستقر تكتسب ثلاثة إلكترونات، وتكون أيون الفوسفيد الذي شحنته -3.

وبالمثل ذرة الأكسجين التي لها ستة إلكترونات تكافؤ تكتسب إلكترونين، وتكون أيون الأكسيد الذي شحنته -2.

وقد تفقد أو تكتسب بعض ذرات عناصر اللافلزات أعدادًا من الإلكترونات للوصول إلى حالة التركيب الثماني المستقر.

فمثلًا، بالإضافة إلى مقدرة ذرة الفوسفور على اكتساب ثلاثة إلكترونات فإنها تستطيع أن تخسر خمسة إلكترونات.

وفي الغالب تكتسب ذرات عناصر المجموعة 15 ثلاثة إلكترونات، وتكتسب ذرات عناصر المجموعة 16 إلكترونين، وتكتسب ذرات عناصر المجموعة 17 إلكترونًا واحدًا للوصول إلى حالة الثمانية.

ويبين الجدول 3-2 أيونات المجموعات 15 و16 و17.

الجدول 3-2

أيونات المجموعات من 15 إلى 17

الصورة التابعة: صفحة87_الجدول_3_2_أيونات_المجموعات_15_إلى_17.png

| المجموعة | التوزيع الإلكتروني | شحنة الأيون المتكون |
| -------- | ------------------ | ----------------------------- |
| 15 | ns²np³ [غاز نبيل] | -3 عند اكتساب ثلاثة إلكترونات |
| 16 | ns²np⁴ [غاز نبيل] | -2 عند اكتساب إلكترونين |
| 17 | ns²np⁵ [غاز نبيل] | -1 عند اكتساب إلكترون واحد |

---

التقويم 3-1

الخلاصة

الصورة التابعة: صفحة87_التقويم_3_1_الخلاصة_والأسئلة.png

الخلاصة

• تكون بعض الذرات الأيونات للوصول إلى حالة الاستقرار. ويعني التوزيع الإلكتروني المستقر أن يكون مستوى الطاقة الخارجي مملوءًا بالإلكترونات، وفي العادة يتضمن ثمانية إلكترونات تكافؤ.
• تتكون الأيونات من خلال فقدان إلكترونات التكافؤ أو اكتسابها.
• يبقى عدد البروتونات في النواة ثابتًا عند تكوين الأيون.

أسئلة التقويم 3-1

• الفكرة الرئيسية: قارن بين استقرار ذرة الليثيوم وأيون الليثيوم Li⁺.

• صف سببًا لوجود قوة تجاذب في الرابطة الكيميائية.

• طبق: لماذا تكون عناصر المجموعة 18 غير قادرة على التفاعل نسبيًا، في حين تعد عناصر المجموعة 17 شديدة التفاعل؟

• طبق: اكتب التوزيع الإلكتروني لكل من الذرات الآتية، ثم توقع التغير الذي ينبغي حدوثه لتصل كل ذرة إلى التوزيع الإلكتروني للغاز النبيل:

a. النيتروجين
b. الكبريت
c. الباريوم
d. الليثيوم

• نمذج: ارسم نموذجين يمثلان تكوين أيون الكالسيوم الموجب وأيون البروميد السالب.