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Gli atomi sono costituiti da un nucleo circondato da elettroni che ruotano ad alta velocità attorno ad esso. Il nucleo è formato da protoni e neutroni e il numero di protoni è la parte dell’atomo che gli conferisce la sua identità. Questo è il motivo per cui questo numero è chiamato numero atomico.
La carica su ciascun protone è uguale in grandezza ma di segno opposto alla carica sull’elettrone. Per questo motivo si capisce che nel nucleo di un atomo neutro ci devono essere tanti elettroni quanti protoni. In questo senso, il numero di elettroni in un atomo neutro è determinato dal numero atomico (Z).
Questo è molto facile da capire, ma per quanto riguarda gli ioni? Come viene determinato il numero di elettroni e protoni in un catione o in un anione? Per capirlo dobbiamo prima capire cosa sono gli ioni e come si formano.
Cos’è uno ione?
Uno ione è qualsiasi specie chimica che ha una carica elettrica netta. Ciò implica che deve esserci uno squilibrio tra il numero di cariche positive nel nucleo e il numero di cariche negative nella nuvola di elettroni circostante. In altre parole, uno ione è una specie chimica in cui il numero di protoni ed elettroni non è uguale.
Gli ioni si formano nelle reazioni chimiche attraverso la perdita o l’acquisto di elettroni, indipendentemente dal fatto che lo ione sia positivo o negativo. Questo perché le reazioni chimiche non coinvolgono mai il nucleo, ma solo gli elettroni di valenza, che sono gli elettroni più esterni di un atomo.
La perdita o l’acquisto di elettroni dà origine a due tipi di ioni a seconda della loro carica: cationi e anioni.
cationi
Sono ioni che hanno una carica netta positiva. Questi ioni si formano quando un atomo neutro perde uno o più elettroni. Il termine catione deriva dal fatto che, durante l’elettrolisi di una soluzione o di un sale fuso, questi ioni sono quelli che vengono diretti verso il catodo, o elettrodo in cui avviene la reazione di riduzione.
Come calcolare il numero di protoni ed elettroni in un catione?
La carica positiva dei cationi non è dovuta al fatto che il nucleo ha acquistato protoni caricati positivamente, ma piuttosto perché l’atomo ha perso elettroni caricati negativamente, lasciando un eccesso di cariche positive. Per questo motivo il valore della carica positiva rappresenta il numero di elettroni che l’atomo neutro ha perso per diventare il catione.
In considerazione di ciò, il numero di elettroni in un catione non è superiore al numero di elettroni originariamente posseduti dall’atomo neutro, meno il numero di cariche positive sul catione. D’altra parte, poiché il nucleo dell’atomo non è influenzato dalla formazione del catione, il numero di protoni sia nell’atomo neutro che nel catione è lo stesso ed è uguale al numero atomico dell’elemento in questione.
Se chiamiamo p il numero di protoni, n e – il numero di elettroni e q la carica del catione, allora possiamo dire che:
Riassumendo, il numero di protoni in un catione è uguale al numero atomico dell’elemento, mentre il numero di elettroni è dato sottraendo il numero atomico e la carica dello ione:
anioni
Gli anioni sono l’opposto dei cationi. Sono ioni che hanno una carica netta negativa e che vanno verso l’ anodo nelle celle di elettrolisi, fatto da cui prendono il nome. Gli anioni si formano quando un atomo neutro acquista elettroni, creando un eccesso di cariche negative non bilanciate dalle cariche positive del nucleo.
Come calcolare il numero di protoni ed elettroni in un catione?
Seguendo la stessa logica di prima, il numero di protoni nel nucleo di un anione monoatomico è lo stesso dell’atomo neutro, quindi vale ancora p = Z . Invece, il numero di elettroni è, in questo caso, la somma del numero di elettroni nell’atomo neutro, più il numero di cariche negative sull’anione. Questo può essere scritto come:
In questo caso, il valore assoluto di q deve essere preso in modo che il valore si sommi, poiché gli anioni hanno più elettroni che atomi neutri. Pertanto, per calcolare il numero di protoni ed elettroni in un anione, vengono utilizzate le seguenti formule:
Modo generale per calcolare il numero di protoni ed elettroni in uno ione
Come si vede dalle due espressioni precedenti, per determinare il numero di elettroni in uno ione basta sommare o sottrarre la carica a seconda che si tratti di un anione o di un catione. Tuttavia, ciò equivale a sottrarre sempre la carica elettrica dello ione, purché includiamo il segno della carica quando sostituiamo il valore. In questo modo andremo a sottrarre se è un catione (perché la carica è positiva e moltiplicando per il meno della formula il risultato è negativo) e aggiungeremo se è un anione (perché il prodotto del negativo della formula con quello della carica risulta di segno positivo).
Vale a dire che, per ogni ione, sia esso positivo o negativo, il numero di protoni ed elettroni è dato da:
Calcolo del numero totale di elettroni di valenza negli ioni poliatomici
Gli ioni, oltre che per la loro carica, possono differire anche per il numero di atomi che li compongono. Le sezioni precedenti corrispondono a cationi e anioni formati da un singolo atomo. Cioè, l’equazione di cui sopra si applica solo agli ioni monoatomici (sebbene possa essere adattata per altri tipi di ioni).
Tuttavia, esiste anche un’ampia varietà di cationi e anioni molecolari, composti da due o più atomi legati tra loro da legami covalenti. In questi casi è importante determinare il numero di elettroni in questo tipo di ioni poiché questa informazione ci permette di costruire le strutture di Lewis di detti ioni, dando così informazioni sui tipi di legami che si formano e sulla geometria molecolare attorno al nucleo centrale atomo o atomi centrali, se ce n’è più di uno.
Tuttavia, in questi casi non è così importante conoscere il numero totale di elettroni in tutti gli atomi, ma piuttosto il numero totale di elettroni di valenza, senza includere nessuno degli elettroni interni degli atomi che compongono lo ione.
In questo caso, la formula per il numero di elettroni viene modificata come segue:
Dove n e-Valence è il numero totale di elettroni di valenza nello ione, #eV i rappresenta il numero di elettroni di valenza nell’elemento i , n i è il numero di atomi dell’elemento i presenti nello ione, e q ion è, ancora una volta , la carica dello ione con il suo rispettivo segno. Il numero di elettroni di valenza di un elemento può essere determinato sia mediante la configurazione elettronica, sia guardando il gruppo in cui si trova nella tavola periodica (principalmente nel caso di elementi rappresentativi).
Esempi di calcolo di protoni ed elettroni di ioni monoatomici
Esempio #1: Protoni ed elettroni del catione ferrico
Il catione ferrico corrisponde allo ione Fe 3+ , uno ione monoatomico con un nucleo di ferro. Dalla tavola periodica otteniamo che il numero atomico del ferro è 26 (Z = 26) e, come si vede, lo ione ha tre cariche positive ( q = +3 ). Pertanto, il numero di protoni ed elettroni nel catione ferrico è:
Esempio #2: Protoni ed elettroni dell’anione solfuro
L’anione solfuro corrisponde allo ione S 2- , uno ione monoatomico con un nucleo di zolfo e due cariche elettriche negative. Il numero atomico dello zolfo è 16 (Z = 16) e, in questo caso, q = – 2 . Pertanto, il numero di protoni ed elettroni nell’anione solfuro è:
Esempi di calcolo degli elettroni di valenza di ioni poliatomici
Esempio #3: Elettroni di valenza del catione ammonio (NH 4 + )
Il catione ammonio è formato da 4 atomi di idrogeno e un atomo di azoto e ha una carica positiva di +1. L’ elemento idrogeno appartiene al gruppo 1A della tavola periodica, quindi ha 1 elettrone di valenza, mentre l’azoto appartiene al gruppo 5A, quindi ha 5 elettroni di valenza. Applicando la formula per il numero di elettroni di valenza degli ioni polielettronici, abbiamo:
Pertanto, lo ione ammonio ha un totale di 8 elettroni di valenza distribuiti tra i suoi cinque atomi.
Esempio n. 4: Elettroni di valenza dell’anione nitrato (NO 3 – )
L’anione nitrato è formato da 3 atomi di ossigeno e un atomo di azoto e ha una carica negativa di -1.L’elemento ossigeno appartiene al gruppo 6A della tavola periodica, motivo per cui ha 6 elettroni di valenza, mentre ha 5 elettroni di valenza , come abbiamo visto nell’esempio precedente. Applicando nuovamente la formula, abbiamo:
Pertanto, lo ione nitrato ha un totale di 24 elettroni di valenza distribuiti tra i suoi quattro atomi.
Riferimenti
Calcolare il numero di elettroni e il numero di neutroni negli ioni . (2019, 4 settembre). Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=nM7npEf27Do
Miralles, A. (2009, 4 agosto). Protoni, neutroni ed elettroni. isotopi. Ions 02 – Il rospo saggio . Il rospo saggio. https://www.elsaposabio.com/quimica/?p=780
RAPPRESENTAZIONE DEGLI IONI . (nd). 3° Quello. http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/el_atomo/iones.htm?4&1
wikiCome. (2019, 5 gennaio). Come trovare il numero di protoni, neutroni ed elettroni . https://en.wikihow.com/find-the-n%C3%BAmer-of-protons,-neutrons-and-electrons
