AP Chemistry

ion

Còn gọi: ions

Ion là nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử mang điện tích do đã mất bớt hoặc nhận thêm electron so với trạng thái trung hòa.

Một nguyên tử ở trạng thái trung hòa có số prôton trong hạt nhân đúng bằng số êlectron (electron) bao quanh nó, nên tổng điện tích bằng không. Khi nguyên tử đó mất bớt hoặc nhận thêm êlectron, sự cân bằng (equilibrium) này bị phá vỡ và phần tử thu được mang điện tích — ta gọi nó là ion. Điều quan trọng là số prôton không thay đổi trong quá trình ấy: natri mất một êlectron vẫn là natri, chỉ khác ở chỗ nó đã trở thành $\mathrm{Na^+}$ . Do đó ion không phải một nguyên tố (element) mới, mà là một dạng tích điện của nguyên tố cũ.

Tùy theo chiều trao đổi êlectron, ion chia thành hai loại đối lập. Phần tử mất êlectron còn dư prôton nên mang điện dương và được gọi là ion dương (cation), chẳng hạn $\mathrm{Mg^{2+}}$ hình thành khi magie nhường hai êlectron hóa trị. Ngược lại, phần tử nhận thêm êlectron mang điện âm và được gọi là ion âm (anion), chẳng hạn $\mathrm{Cl^-}$ . Kim loại có năng lượng ion hóa thấp nên thiên về tạo ion dương, còn phi kim (nonmetal) có ái lực êlectron lớn nên thiên về tạo ion âm; chính xu hướng trái chiều này giải thích vì sao kim loại và phi kim dễ kết hợp thành hợp chất ion.

Điện tích không nhất thiết thuộc về một nguyên tử (atom) đơn lẻ. Một nhóm nguyên tử liên kết cộng hóa trị với nhau cũng có thể mang điện tích chung, tạo thành ion đa nguyên tử (polyatomic ion) như $\mathrm{SO_4^{2-}}$ hay $\mathrm{NH_4^+}$ ; trong trường hợp này điện tích thuộc về cả cụm chứ không định vị ở một nguyên tử riêng lẻ. Vì mọi mẫu chất đều trung hòa điện, công thức hợp chất ion phải thỏa mãn điều kiện tổng điện tích bằng không, và trong dung dịch các ion tách rời nhau, di chuyển độc lập — nhờ đó dung dịch dẫn điện, đồng thời cho phép ta lược bỏ những ion không tham gia phản ứng (reaction) khi viết phương trình ion rút gọn.

Ký hiệu

• $\mathrm{Na^+}$ , $\mathrm{Cl^-}$ , $\mathrm{Mg^{2+}}$ , $\mathrm{SO_4^{2-}}$
•điện tích ghi phía trên bên phải ký hiệu

Đơn vịĐiện tích tính theo bội số nguyên của điện tích cơ bản $e = 1{,}602\times10^{-19}$ C

Trực giác: Nguyên tử trung hòa giống người có tài khoản cân bằng thu chi; vay thêm hay cho bớt một electron là lập tức thành con nợ hoặc chủ nợ, tức là mang điện.

Công thức

q = \htmlClass{fp-2}{\htmlClass{fp-0}{n_p} - \htmlClass{fp-1}{n_e}}

Dùng khi đề cho số proton và số electron của một tiểu phân và hỏi điện tích, hoặc ngược lại cho ký hiệu ion như $\mathrm{Mg^{2+}}$ và hỏi số electron. Ví dụ $\mathrm{Mg^{2+}}$ có $n_p=12$ nên $n_e=12-2=10$ .

Trong đó

q

điện tích ròng của ion, tính theo đơn vị điện tích cơ bản — e

n_p

số proton trong hạt nhân, bằng số hiệu nguyên tử

Z

n_e

số electron của tiểu phân

\htmlClass{fp-0}{n_+ z_+} = \htmlClass{fp-1}{n_- |z_-|}

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1834Michael FaradayWilliam Whewell

Thuật ngữ "ion" được nhà vật lý và hóa học người Anh Michael Faraday đưa vào khoa học năm 1834, theo gợi ý của học giả William Whewell, để gọi tên thứ vật chất mang điện di chuyển giữa hai điện cực trong quá trình điện phân.

Vào đầu thập niên 1830, Faraday quan sát thấy một hiện tượng kỳ lạ trong dung dịch nước: kim loại tan ra ở điện cực này, rồi kim loại mới lại xuất hiện ở điện cực kia. Ông chưa biết bản chất của thứ đã gây ra chuyện đó, nhưng ông chắc chắn rằng phải có "cái gì đó" đã đi từ đầu này sang đầu kia của dung dịch. Vì vậy điều ông cần trước hết không phải là một mô hình cấu trúc, mà là một cái tên để gọi thứ mình chưa nhìn thấy. Faraday hỏi ý William Whewell — người có thói quen dựng thuật ngữ khoa học mới từ gốc Hy Lạp — và từ đó bộ ba tên gọi "ion", "anion", "cation" ra đời năm 1834.

Thử nghiệm tương tác

Bớt một electron của Na — nhìn nhãn đổi thành Na⁺, rồi thử bấm neutron xem điện tích có nhúc nhích không

Hay hiểu sai

Ion sinh ra do mất hoặc nhận electron, không bao giờ do thay đổi số proton.

Ion dương luôn nhỏ hơn nguyên tử gốc, ion âm luôn lớn hơn.

Không phải ion nào cũng đạt cấu hình khí hiếm.

Điện tích ion viết số trước dấu và đặt ở trên bên phải: $\text{Ca}^{2+}$ .

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Cho hai nguyên tố canxi (

Z = 20

) và lưu huỳnh (

Z = 16

). Khi tạo hợp chất với nhau, mỗi nguyên tử canxi nhường 2 electron còn mỗi nguyên tử lưu huỳnh nhận 2 electron, sinh ra các ion tương ứng trong tinh thể

\text{CaS}

. Bốn tiểu phân

\text{S}^{2-}

\text{Cl}^{-}

\text{K}^{+}

và

\text{Ca}^{2+}

đều có cùng số electron.

aViết cấu hình electron đầy đủ của $\text{Ca}^{2+}$ và $\text{S}^{2-}$ , cho biết chúng giống cấu hình của khí hiếm nào.
bSắp xếp $\text{S}^{2-}$ , $\text{Cl}^{-}$ , $\text{K}^{+}$ , $\text{Ca}^{2+}$ theo thứ tự bán kính tăng dần và giải thích.

1Bước 1: Trước hết viết cấu hình của nguyên tử trung hòa. Canxi có 20 electron nên

\text{Ca}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2

, còn lưu huỳnh có 16 electron nên

\text{S}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4

. Đây là điểm xuất phát bắt buộc, vì ion chỉ khác nguyên tử ở số electron chứ không khác ở số proton.

Bạn nắm chắc chưa?

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.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc & tính chất nguyên tử · bài “Electron hóa trị và hợp chất ion” — khoá AP Chemistry

Dẫn tớiphương trình ion rút gọn

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

phân tửmolecule

Khác nhau ở đâuIon mang điện tích do số electron khác số proton, còn phân tử trung hòa điện vì số electron bằng số proton. Phân tử có thể tồn tại độc lập trong pha khí, còn ion trong dung dịch luôn bị bao quanh bởi các phân tử dung môi.

Hay nhầm khiĐề cho công thức như SO₄²⁻ hoặc NH₄⁺ — thí sinh hay gọi nhầm đây là 'phân tử' vì có nhiều nguyên tử, nhưng thực ra đây là ion đa nguyên tử

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 1–2, 4.

2Ví dụ 2/2

Một học sinh trộn

25{,}0\ \text{mL}

dung dịch

\text{AgNO}_3

nồng độ

0{,}100\ \text{M}

với lượng dư dung dịch

\text{NaCl}

. Kết tủa trắng

\text{AgCl}

xuất hiện ngay lập tức. Cho

M(\text{Ag}) = 107{,}87

và

M(\text{Cl}) = 35{,}45\ \text{g/mol}

aViết phương trình phân tử, phương trình ion đầy đủ và phương trình ion thu gọn; chỉ rõ các ion không tham gia phản ứng.
bTính khối lượng kết tủa thu được.

1Bước 1: Cả

\text{AgNO}_3

và

\text{NaCl}

đều là chất điện li mạnh, nghĩa là chúng phân li hoàn toàn thành ion khi tan trong nước. Phương trình phân tử là

\text{AgNO}_3(aq) + \text{NaCl}(aq) \rightarrow \text{AgCl}(s) + \text{NaNO}_3(aq)

. Riêng

\text{AgCl}

tan rất kém nên phải giữ nguyên ở dạng chất rắn, không được tách thành ion.

2Bước 2: Viết lại mọi chất tan dưới dạng ion, ta được phương trình ion đầy đủ

\text{Ag}^{+} + \text{NO}_3^{-} + \text{Na}^{+} + \text{Cl}^{-} \rightarrow \text{AgCl}(s) + \text{Na}^{+} + \text{NO}_3^{-}

. Hai ion

\text{Na}^{+}

và

\text{NO}_3^{-}

xuất hiện y hệt nhau ở cả hai vế, tức là chúng chỉ bơi tự do trong dung dịch mà không hề biến đổi; đó là các ion khán giả (spectator ions). Loại chúng đi thì còn lại phương trình ion thu gọn (net ionic equation):

\text{Ag}^{+}(aq) + \text{Cl}^{-}(aq) \rightarrow \text{AgCl}(s)

Phương trình này cho thấy bản chất phản ứng chỉ là sự kết hợp của hai ion trái dấu thành kết tủa (precipitate).

3Bước 3: Sang phần tính toán, đổi thể tích sang lít rồi nhân với nồng độ:

n(\text{Ag}^{+}) = 0{,}0250\ \text{L} \times 0{,}100\ \text{mol/L} = 2{,}50 \times 10^{-3}\ \text{mol}

. Vì

\text{NaCl}

dùng dư nên

\text{Ag}^{+}

là chất giới hạn, toàn bộ lượng ion bạc này chuyển hết vào kết tủa.

4Bước 4: Tỉ lệ mol trong phương trình ion thu gọn là

1:1:1

, do đó

n(\text{AgCl}) = 2{,}50 \times 10^{-3}\ \text{mol}

. Khối lượng mol của kết tủa bằng

107{,}87 + 35{,}45 = 143{,}32\ \text{g/mol}

, nên

m = 2{,}50 \times 10^{-3} \times 143{,}32 = 0{,}358\ \text{g}

Kết quả giữ ba chữ số có nghĩa đúng theo dữ kiện đề bài.

Phản ứng thực chất chỉ gồm $\text{Ag}^{+}(aq) + \text{Cl}^{-}(aq) \rightarrow \text{AgCl}(s)$ , còn $\text{Na}^{+}$ và $\text{NO}_3^{-}$ vẫn ở nguyên trong dung dịch sau phản ứng. Từ $2{,}50 \times 10^{-3}\ \text{mol}$ ion bạc ban đầu, học sinh thu được $0{,}358\ \text{g}$ kết tủa $\text{AgCl}$ .