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A maioria dos átomos e moléculas que encontramos são eletricamente neutros, mas os íons desempenham um papel importante na natureza. Esses átomos carregados podem ser cátions com carga positiva ou ânions com carga negativa. Cátions e ânions se formam de maneiras diferentes. Para cátions, a perda de um elétron os deixa com uma carga líquida positiva, enquanto que para os ânions, a adição de um elétron os deixa com uma carga líquida negativa. Compreender os processos por trás disso, incluindo a energia de ionização e a afinidade eletrônica de diferentes átomos, ajuda a ver por que certos átomos se tornam íons mais facilmente que outros e o que faz com que isso aconteça.
TL; DR (muito longo; não leu)
Os cátions são íons carregados positivamente, formados quando um átomo perde um elétron por ionização. A quantidade de energia necessária para fazer isso é chamada de energia de ionização
Os ânions são íons carregados negativamente, formados quando um átomo ganha um elétron. A energia nesse processo é chamada de afinidade eletrônica.
O que é um íon?
Os átomos têm três componentes principais: prótons, elétrons e nêutrons. Os nêutrons são eletricamente neutros e, embora tenham um papel importante na física nuclear, não são relevantes para a formação de íons porque não afetam a carga do átomo em que estão. Os prótons são carregados positivamente e ocupam o núcleo central do átomo junto com os nêutrons. Os elétrons são a parte do átomo com carga negativa e ocupam uma "nuvem" ao redor do exterior do núcleo. Os elétrons e os prótons têm cargas iguais, mas opostas, e nas formas naturais dos elementos, existem números iguais de cada um em um átomo. Isso significa que os elementos são eletricamente neutros porque as cargas dos prótons e elétrons se cancelam.
Um íon é um átomo carregado.Se um átomo ganha um elétron, a carga negativa supera a carga positiva e todo o átomo ganha uma carga negativa. Esses íons são chamados ânions. Se o átomo perde um elétron, então há mais carga positiva do que carga negativa, e o átomo como um todo se torna um íon carregado positivamente. Isso é chamado de cátion.
Como os cátions são formados?
Os cátions são formados quando um átomo neutro perde um elétron. Os metais são propensos a perder elétrons como resultado do arranjo de elétrons ao redor do núcleo. Os elétrons ocupam diferentes orbitais ao redor do núcleo, e estes podem ser agrupados em diferentes níveis de energia. Um elétron em um orbital com um alto nível de energia está mais distante do núcleo. Átomos com um nível de energia externa completo são estáveis, mas se houver um pequeno número de elétrons no nível de energia externa, eles tendem a perder elétrons. Os elétrons em todos os níveis de energia "protegem" grande parte da carga positiva do núcleo. Como resultado, os elétrons externos estão apenas fracamente ligados ao núcleo.
Os cátions são formados pelo processo de ionização quando energia suficiente é fornecida ao elétron (por luz de uma energia suficientemente alta, por exemplo) para afastá-lo da atração do núcleo. A energia necessária para fazer isso é chamada de energia de ionização. A primeira energia de ionização diz quanta energia você precisa para remover um elétron; a segunda energia de ionização informa quanto é necessário para remover a segunda e assim por diante.
Você pode calcular a carga no íon resultante com base no grupo da tabela periódica em que o elemento está. Por exemplo, o sódio está no grupo 1 e forma um cátion com uma carga +1. O magnésio está no grupo 2 e forma um cátion com uma carga de +2 após perder dois elétrons para a ionização. O alumínio está no grupo 3 e forma um cátion +3. Os elementos do grupo 4 não formam íons e os elementos do grupo superior formam ânions.
Como os ânions se formam?
Os ânions são formados pelo processo oposto aos cátions. Em vez de perder um elétron, os átomos não-metálicos podem ganhar um elétron. Isso ocorre porque o nível de energia externa está quase cheio. O termo afinidade eletrônica descreve a tendência de átomos neutros ganharem elétrons. Como a energia de ionização, ela tem unidades de energia, mas, diferentemente da energia de ionização, tem um valor negativo porque a energia é liberada quando os elétrons são adicionados, enquanto é absorvida quando os elétrons são removidos.
Em geral, os elementos dos grupos mais altos (aqueles à direita na tabela periódica) têm afinidades eletrônicas mais altas, e os elementos de uma linha mais alta de seus grupos (mais à frente do topo da tabela periódica) têm afinidades eletrônicas mais altas. A diminuição da afinidade de elétrons à medida que você se move para baixo de uma determinada coluna está relacionada ao aumento da distância entre as conchas externas e o núcleo, bem como à blindagem dos outros elétrons em níveis mais baixos de energia. O aumento da afinidade à medida que você se move da esquerda para a direita é porque os níveis de energia se aproximam de ser totalmente ocupado.
Quanto aos cátions, o grupo do elemento informa qual carga o ânion correspondente será. A cobrança resultante é o número do grupo menos oito. O cloro, no grupo 7, forma um ânion com carga −1, e o oxigênio, no grupo 6, forma um cátion com carga −2.