AP Chemistry
cation
Còn gọi: ion dương

Cation là ion mang điện tích dương, hình thành khi nguyên tử mất đi một hoặc nhiều electron hóa trị.
Khi một nguyên tử của kim loại mất đi một hoặc nhiều điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng, số lượng prôton trong hạt nhân sẽ vượt quá số lượng điện tử bao quanh. Sự mất cân bằng điện tích này biến nguyên tử trung hòa thành một hạt mang điện dương, gọi là ion dương. Quá trình đó thường xảy ra khi nguyên tử được cung cấp năng lượng ion hóa (ionization energy) cần thiết để điện tử tách khỏi liên kết, nhờ vậy hạt đạt được cấu hình bền vững hơn.
Trong hóa học, điện tích của ion dương được ghi dưới dạng chỉ số trên bên phải ký hiệu nguyên tố (element), ví dụ hoặc ; ở đây dấu "cộng" cho biết nguyên tử đã mất một điện tử, còn số "2" cho biết đã mất hai điện tử. Vì điện tử có khối lượng (mass) không đáng kể so với prôton và nơtron nên khối lượng của ion dương xấp xỉ bằng khối lượng của nguyên tử gốc. Tuy nhiên, do mất đi lớp vỏ điện tử ngoài cùng, bán kính của ion dương luôn nhỏ hơn bán kính của nguyên tử trung hòa tương ứng.
Nhờ mang điện tích dương, ion dương bị hút về phía cực âm trong điện trường cũng như trong quá trình điện phân. Do đó, trong hợp chất ion, các ion dương liên kết với ion âm bằng lực hút tĩnh điện để tạo thành mạng lưới tinh thể bền vững. Vì vậy, sự tương tác giữa ion dương và ion âm chính là nền tảng cho cấu trúc của muối và của nhiều chất rắn (solid) vô cơ khác.
Trực giác: Giống như một quả cầu tích điện dương luôn bị hút về phía quả cầu tích điện âm do lực tĩnh điện, cation là ion dương hình thành khi nguyên tử mất electron hóa trị và liên kết với ion âm bằng lực hút trái dấu.
1834Michael FaradayWilliam Whewell
Đầu thập niên 1830, Faraday nghiên cứu hiện tượng dòng điện đi qua dung dịch và làm chất tan phân tách ở hai đầu điện cực (electrode). Ông cần một bộ từ vựng mới để mô tả những hạt mang điện di chuyển trong dung dịch, vì các tên gọi cũ không diễn tả được ý "chuyển động có hướng". Whewell, một học giả uyên bác thời đó, đề xuất mượn tiếng Hy Lạp, và Faraday công bố hệ thuật ngữ ấy vào năm 1834. Nhờ vậy, hai loại hạt trái dấu có tên riêng và ngành điện hóa (electrochemistry) có ngôn ngữ thống nhất để mô tả quá trình điện phân (electrolysis).
Điện tích bằng nhau vẫn chưa đủ để kết luận lực hút ion mạnh hay yếu.
Khi so sánh với , nhiều học sinh thấy cả hai đều là cation ghép với anion rồi kết luận lực hút như nhau. Nhưng trong định luật Coulomb (Coulomb's law), , tích điện tích chỉ là một nửa câu chuyện; nửa còn lại là khoảng cách giữa hai tâm ion. Vì nhỏ hơn nên hai tâm nằm gần nhau hơn, nhỏ lại mà nằm ở mẫu và còn bị bình phương, do đó lực trong mạnh hơn hẳn. Quy tắc làm bài là: điện tích khác nhau thì so điện tích trước, điện tích giống nhau thì bắt buộc phải xét bán kính.
Cation luôn nhỏ hơn nguyên tử trung hòa sinh ra nó.
Rất nhiều bài mất điểm vì học sinh nghĩ ion mang điện thì "to hơn" hoặc "nặng hơn" nguyên tử ban đầu. Thực tế khi nguyên tử kim loại nhường electron, nó thường mất trọn lớp electron ngoài cùng, nên số lớp giảm và bán kính co lại rõ rệt; đồng thời số proton giữ nguyên trong khi số electron ít đi, làm lực hút của hạt nhân lên mỗi electron còn lại mạnh hơn. Vì vậy nhỏ hơn rất nhiều, còn thì ngược lại, to hơn . Trong chuỗi đẳng electron (isoelectronic series) như , , , , ion nào nhiều proton hơn thì nhỏ hơn.
Số electron của cation không phải là biến trong công thức lực Coulomb.
Một phương án nhiễu quen thuộc lập luận rằng ion có nhiều electron hơn thì hút mạnh hơn, hoặc "bề mặt tiếp xúc" lớn hơn thì lực lớn hơn. Cả hai đều sai về bản chất: biểu thức chỉ chứa điện tích tổng của hai ion và khoảng cách giữa hai tâm, chứ không chứa số electron và cũng không có khái niệm diện tích tiếp xúc. Số electron chỉ ảnh hưởng gián tiếp thông qua kích thước ion, tức là thông qua . Khi trình bày, hãy nói " có bán kính nhỏ hơn nên nhỏ hơn", đừng nói " ít electron hơn nên hút mạnh hơn".
Cation hòa tan trong nước tạo tương tác ion–lưỡng cực, không phải lưỡng cực–lưỡng cực.
Khi bị các phân tử nước quay đầu oxygen hướng vào bao quanh, một bên là ion mang điện tích trọn vẹn còn bên kia là phân tử có cực, nên đây đúng là tương tác ion–lưỡng cực (ion-dipole) và nó mạnh hơn lưỡng cực–lưỡng cực. Gọi tên sai xảy ra vì học sinh quen mặt cụm "dipole-dipole", nhưng loại đó đòi hỏi cả hai phía đều là phân tử có cực, mà thì không phải phân tử. Cũng đừng gọi nhầm thành liên kết hydrogen (hydrogen bonding): kiểu tương tác ấy cần một nguyên tử H đã gắn với N, O hoặc F, trong khi ở đây chính ion mới là bên hút.
Quiz câu thật từ ngân hàng đề
Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.
Biên soạn bởi DucklingStudy, bản quyền thuộc DucklingStudy. Xuất bản .
Vì sao mang đúng cái tên này? Gốc của tên gọi nằm ở chuyển động chứ không ở điện tích, và đây là điểm khiến nhiều người học thấy khó nhớ. Từ này là dạng Latin hóa của tiếng Hy Lạp kation, nghĩa là "đang đi xuống", ghép từ kata ("xuống") với ienai ("đi"). Cùng gốc ienai ấy sinh ra chữ "ion" mà Faraday công bố trong cùng năm, vốn có nghĩa đơn giản là "cái đang đi". Do đó, cách gọi này mô tả việc hạt mang điện di chuyển về phía điện cực mang điện tích trái dấu với nó, tức là về cực âm (cathode). Vì vậy, muốn nhớ đúng thì hãy nhớ theo hướng đi: hạt "đi xuống" cực âm thì mang điện dương.
Bấm bớt một electron của Na — nhìn điện tích nhảy lên $+1$ mà số proton đứng yên
Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.
Câu hỏi "explain" về lực hút ion phải nêu đủ cả hai biến mới trọn điểm.
Giám khảo tìm hai ý riêng biệt: tích điện tích của cation và anion, rồi khoảng cách giữa hai tâm ion. Nếu điện tích hai cặp chất bằng nhau, hãy viết thẳng rằng yếu tố quyết định còn lại là bán kính, sau đó chỉ rõ ion nào nhỏ hơn và kết luận nhỏ hơn cho lực mạnh hơn vì nằm ở mẫu số và bị bình phương. Câu trả lời chỉ dừng ở "vì nhỏ hơn" mà không nối sang lực Coulomb thường bị trừ điểm lập luận.
Cation không chỉ là ion kim loại đơn nguyên tử.
Đề rất hay đưa hoặc vào để kiểm tra xem thí sinh có hiểu rằng cation chỉ đơn giản là tiểu phân mang điện dương hay không. Ngoài ra, với kim loại chuyển tiếp phải viết số La Mã đúng theo điện tích, chẳng hạn là iron(III), và trong công thức hợp chất ion thì cation luôn viết trước anion. Nhớ thêm rằng trong pin điện hóa, cation di chuyển về cathode.
Đừng để câu hỏi về cation kéo bạn sang lý luận nhiệt hay quang phổ nhầm chỗ.
Nhiều đề đặt cation trong bối cảnh hòa tan tỏa nhiệt hoặc đo độ hấp thụ của dung dịch ion màu, nhưng câu hỏi thật sự lại nằm ở chiều truyền nhiệt hay ở định luật Beer. Hãy đọc kỹ yêu cầu: nếu hỏi về năng lượng, phải nói rõ nhiệt truyền từ hệ ra môi trường hay ngược lại; nếu hỏi về độ hấp thụ, phải gắn thay đổi số liệu với nồng độ hoặc chiều dài đường truyền của cuvette. Nêu đúng bản chất cation mà trả lời lạc yêu cầu thì vẫn không có điểm.
Nguyên tử và đều nhường hai electron hoá trị để đạt cấu hình khí hiếm, tạo ra các cation và cùng điện tích . Vì điện tích của hai cặp ion như nhau, yếu tố phân biệt duy nhất là kích thước: nhỏ hơn nên khoảng cách ion trong ngắn hơn ( so với ), làm lực hút Coulomb mạnh hơn. Do đó cần nhiều năng lượng hơn để phá vỡ mạng tinh thể , và nhiệt độ nóng chảy của nó cao hơn đúng như số liệu thực nghiệm.
Trong cả hai dung dịch, cation được giữ bởi tương tác ion–lưỡng cực với các phân tử nước quay đầu oxygen vào ion. Vì mang điện tích trên một bán kính chỉ , mật độ điện tích của nó cao gấp gần ba lần , nên lực hút với nước mạnh hơn nhiều. Do đó quá trình hydrate hoá giải phóng , âm hơn hẳn so với của .