بحث عن تكوين الأيون

مقدمة البحث

الحمد لله الذي أتقن كل شيء خلقه، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإن المادة من حولنا تتكون من ذرات صغيرة جدًا، وهذه الذرات في الحالة العادية متعادلة كهربائيًا، لكنها قد تكسب إلكترونات أو تفقدها فتتحول إلى جسيمات مشحونة تسمى الأيونات. وللأيونات دور أساسي في تكوين الملح الذي نأكله، وفي عمل أعصابنا وعضلاتنا، وفي البطاريات والمحاليل. وفي هذا البحث نتعرف على كيفية تكوّن الأيون وأنواعه وخصائصه.

تعريف الموضوع

الأيون ذرة أو مجموعة ذرات مشحونة كهربائيًا نتيجة فقدان إلكترونات أو اكتسابها. وفي الذرة المتعادلة يتساوى عدد البروتونات الموجبة في النواة مع عدد الإلكترونات السالبة حولها، أما في الأيون فيختل هذا التساوي. فإذا زاد عدد البروتونات على الإلكترونات كان الأيون موجبًا، وإذا زاد عدد الإلكترونات على البروتونات كان سالبًا.

أهمية الموضوع

فهم تكوين الأيونات أساس لفهم الروابط الكيميائية وتفاعلات المركبات الأيونية وذوبان الأملاح والتوصيل الكهربائي في المحاليل. وتعتمد عليه تطبيقات كثيرة مثل صناعة البطاريات والطلاء الكهربائي وتنقية المياه، وفي الجسم يعتمد انتقال الإشارات العصبية وانقباض العضلات على حركة أيونات الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم.

أهداف البحث

• التعرف على مفهوم الأيون وأنواعه.
• تفسير كيفية تكوّن الأيونات الموجبة والسالبة من الذرات.
• ربط تكوين الأيون بالتوزيع الإلكتروني وقاعدة الثمانية.
• التعرف على الأيونات العديدة الذرات وكتابة صيغ المركبات الأيونية.
• حل أمثلة تطبيقية على تكوين الأيونات.

عناصر البحث

أولًا: الذرة المتعادلة وتركيبها

تتكون الذرة من نواة تحتوي على بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات متعادلة، وتدور حول النواة إلكترونات سالبة الشحنة في مستويات طاقة. والعدد الذري للعنصر يساوي عدد بروتوناته، وهو الذي يحدد هويته. وتحدد إلكترونات مستوى الطاقة الأخير، وتسمى إلكترونات التكافؤ، سلوك الذرة الكيميائي.

ثانيًا: قاعدة الثمانية

تميل الذرات إلى الوصول إلى حالة مستقرة تشبه الغازات النبيلة، التي يكتمل مستواها الأخير بثمانية إلكترونات، ما عدا الهيليوم الذي يكتمل مستواه باثنين. ولذلك تفقد الذرة إلكترونات أو تكسبها أو تشارك بها حتى يصبح في مستواها الأخير ثمانية إلكترونات، وتسمى هذه القاعدة قاعدة الثمانية.

ثالثًا: تكوين الأيون الموجب (الكاتيون)

تفقد ذرات الفلزات عادةً إلكترون التكافؤ لأن عددها قليل (واحد أو اثنان أو ثلاثة) وطاقة تأينها منخفضة، فتتحول إلى أيونات موجبة. فمثلًا ذرة الصوديوم عددها الذري أحد عشر، وتوزيعها الإلكتروني في المستويات هو اثنان ثم ثمانية ثم واحد. وعند فقدانها الإلكترون الأخير يصبح مستواها الأخير ثمانية إلكترونات كالنيون، ويتحول عدد الإلكترونات إلى عشرة بينما تبقى البروتونات أحد عشر، فتنشأ شحنة موجبة واحدة:

Na → Na⁺ + e⁻

وبالمثل تفقد ذرة المغنيسيوم إلكترونين فتصبح أيونًا شحنته اثنان موجب، وتفقد ذرة الألومنيوم ثلاثة إلكترونات فتصبح أيونًا شحنته ثلاثة موجب:

Mg → Mg²⁺ + 2e⁻    ,    Al → Al³⁺ + 3e⁻

ويكون نصف قطر الأيون الموجب أصغر من نصف قطر ذرته، لأن فقدان الإلكترونات يقلل التنافر بينها ويقل عدد مستويات الطاقة المشغولة، فتجذبها النواة بقوة أكبر.

رابعًا: تكوين الأيون السالب (الأنيون)

تكسب ذرات اللافلزات إلكترونات لأن مستواها الأخير قريب من الاكتمال وميلها الإلكتروني كبير، فتتحول إلى أيونات سالبة. فذرة الكلور عددها الذري سبعة عشر ولها سبعة إلكترونات تكافؤ، فتكسب إلكترونًا واحدًا لتصل إلى ثمانية كالأرجون:

Cl + e⁻ → Cl⁻

وتكسب ذرة الأكسجين إلكترونين لأنها تحتاج إلى اثنين فقط لتكتمل:

O + 2e⁻ → O²⁻

ويكون نصف قطر الأيون السالب أكبر من نصف قطر ذرته، لأن زيادة الإلكترونات تزيد التنافر بينها مع بقاء عدد البروتونات ثابتًا.

خامسًا: أيونات العناصر حسب مجموعاتها

سادسًا: الأيونات العديدة الذرات

بعض الأيونات تتكون من مجموعة ذرات مرتبطة برابطة تساهمية ولها شحنة واحدة معًا، تسمى أيونات عديدة الذرات، ومن أشهرها:

سابعًا: تكوين المركبات الأيونية

عندما تلتقي ذرة فلز تفقد الإلكترونات مع ذرة لافلز تكسبها، تنتقل الإلكترونات من الفلز إلى اللافلز، فينتج أيون موجب وآخر سالب يتجاذبان بقوة كهربائية تسمى الرابطة الأيونية، ويتكون المركب الأيوني. ففي كلوريد الصوديوم:

Na + Cl → Na⁺ + Cl⁻ → NaCl

وفي أكسيد المغنيسيوم يتحد أيون المغنيسيوم الذي شحنته اثنان موجب مع أيون الأكسيد الذي شحنته اثنان سالب بنسبة واحد إلى واحد. أما في كلوريد الكالسيوم فيحتاج أيون الكالسيوم ثنائي الشحنة إلى أيونين من الكلوريد، فتكون الصيغة:

CaCl₂

والمركبات الأيونية تكوّن بلورات صلبة ذات درجات انصهار مرتفعة، وتوصل الكهرباء في الحالة المنصهرة أو في المحلول المائي لأن الأيونات تصبح حرة الحركة، ولا توصلها وهي صلبة لأن الأيونات مثبتة في أماكنها.

ثامنًا: أمثلة محلولة

مثال ١: ما عدد البروتونات والإلكترونات في أيون الفلور F⁻ علمًا أن العدد الذري للفلور تسعة؟

الحل: عدد البروتونات يساوي العدد الذري، أي تسعة. والذرة المتعادلة فيها تسعة إلكترونات، والأيون كسب إلكترونًا، فعدد إلكتروناته عشرة.

مثال ٢: ما الصيغة الناتجة من اتحاد الألومنيوم Al³⁺ مع الأكسجين O²⁻؟

الحل: نجعل مجموع الشحنات صفرًا، فنحتاج إلى ستة موجبة وستة سالبة، أي أيونين من الألومنيوم وثلاثة من الأكسيد، والصيغة:

Al₂O₃

مثال ٣: كم إلكترونًا يوجد في أيون الصوديوم Na⁺؟ الجواب: عشرة إلكترونات، لأن الذرة فقدت إلكترونًا واحدًا من أحد عشر.

تاسعًا: الأيونات في حياتنا

• في الجسم: أيونات الصوديوم والبوتاسيوم تنقل الإشارات العصبية، والكالسيوم ضروري للعظام والعضلات.
• في الصناعة: الطلاء الكهربائي والبطاريات وتنقية المياه تعتمد على حركة الأيونات.
• في الطبيعة: ماء البحر مليء بالأيونات الذائبة التي تعطيه ملوحته.
• في الغذاء: المحاليل الملحية والأملاح المعدنية في المشروبات الرياضية.

النتائج

• الأيون جسيم مشحون ينتج عن فقدان الذرة إلكترونات أو اكتسابها.
• الفلزات تكوّن أيونات موجبة، واللافلزات تكوّن أيونات سالبة غالبًا.
• تفسر قاعدة الثمانية ميل الذرات إلى تكوين الأيونات لتحقق الاستقرار.
• تتحد الأيونات المختلفة الشحنة بروابط أيونية لتكوين مركبات متعادلة.
• الأيون الموجب أصغر من ذرته والسالب أكبر من ذرته.

التوصيات

• التدرب على كتابة التوزيع الإلكتروني للذرات والأيونات.
• حفظ شحنات الأيونات الشائعة والأيونات العديدة الذرات.
• إجراء تجارب التوصيل الكهربائي للمحاليل لملاحظة أثر الأيونات.
• الربط بين دراسة الأيونات وتطبيقاتها في الصحة والصناعة.

الخاتمة

تبيّن من هذا البحث أن الأيون جسيم مشحون يتكون حين تفقد الذرة أو تكسب إلكترونات سعيًا إلى الاستقرار، وأن الأيونات الموجبة والسالبة تتجاذب لتكوين المركبات الأيونية التي نعرفها كملح الطعام. وفهم هذه الفكرة البسيطة يفسر كثيرًا من الظواهر الكيميائية والحيوية. نسأل الله أن ينفع بهذا العلم.

المراجع

• كتب الكيمياء للمرحلتين المتوسطة والثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
• كتاب الكيمياء العامة، من المؤلفات الجامعية المعروفة في الكيمياء العامة.
• الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية IUPAC، الموقع الرسمي.

كلمات دليلية

بحث، بحث عن، بحث علمي، بحوث، تكوين الأيون