Многоатомные частицы, несущие электрический заряд. Заряд иона кратен элементарному электрическому заряду и всегда целочисленный. Заряд одноатомного иона химического элемента по числу и знаку совпадает со степенью окисления этого элемента; заряд многоатомного иона равен алгебраической сумме степеней окисления элементов с учётом числа их атомов. Положительно заряженные ионы (например, К + , Са 2+ , ΝΗ + 4) называют катионами (от греческого κατιών - идущий вниз), отрицательно заряженные ионы (например, Сl - , SO 4 2- , СН 3 СОО -) - анионами (от греческого ανιών - идущий вверх). Процесс образования ионов называется ионизацией. Термины «ион», «катион» и «анион» ввёл в 1834 году М. Фарадей, изучавший действие электрического поля на водные растворы различных химических соединений. В постоянном электрическом поле катионы перемещаются к отрицательно заряженному электроду (катоду), анионы - к положительно заряженному электроду (аноду).

В виде самостоятельных частиц ионы могут существовать во всех агрегатных состояниях вещества: в газах (смотри Ионы в газах, Ионы в атмосфере), в кристаллах (смотри Ионные кристаллы), в плазме, в жидкостях - в расплавах (смотри Ионные жидкости) и в растворах (смотри Электролитическая диссоциация). Ионы являются структурными единицами химических соединений с ионной химической связью. Такие соединения в твёрдом состоянии, расплавах и растворах состоят из катионов и анионов; например, хлорид натрия NaCl - из катионов Na + и анионов Cl - , ацетат калия СН 3 СООК - из катионов К + и анионов СН3СОО - . Некоторые соединения с полярной ковалентной связью (например, хлороводород НСl) при растворении в воде и других полярных растворителях диссоциируют на ионы. В зависимости от природы растворителя и растворённого вещества, содержащиеся в растворах ионы, могут либо взаимодействовать с молекулами растворителя, в результате чего вокруг ионов формируются сольватные оболочки, либо находиться достаточно близко, образуя ионные пары.

Ионы образуются при отрыве электронов от атомов и молекул, находящихся в газовой фазе (при этом расходуется энергия ионизации), или в результате присоединения электронов к таким атомам и молекулам (энергия, затрачиваемая или высвобождающаяся при этом, - сродство атома или молекулы к электрону). К образованию ионов приводит также присоединение иона простого состава к нейтральной молекуле или другому иону. Например, при присоединении иона Н + к молекуле воды Н 2 О получается ион гидроксония Н 3 О + . Возможно образование ионов при разрушении молекул в результате термического или радиационного воздействия. При образовании иона всегда сохраняется суммарный первоначальный заряд участвующих в этом процессе частиц (если ионы образовались из нейтральных атомов или молекул, то суммарный заряд всех ионов равен нулю). Некоторые молекулы, находящиеся в растворах или кристаллах, оставаясь в целом электронейтральными, содержат в различных участках противоположно заряженные группы (смотри Цвиттер-ионы). Комплекс, состоящий из нескольких нейтральных атомов или молекул и ионов, - кластерный ион.

Химические реакции в растворе (или расплаве) с участием ионных соединений обусловлены перемещением ионов в этой среде и образованием ими новых нейтральных частиц или более сложных ионов. В живых организмах ионы участвуют в различных обменных процессах, регуляции мышечных сокращений, передаче нервных импульсов и т.д. (смотри, например, в статье Ионные насосы).

Лит.: Крестов Г. А. Термодинамика ионных процессов в растворах. Л., 1984.

ИОНЫ (от греч. ion-идущий,странствующий), атомы или хим. радикалы, несущие электрические заряды.-И с т о р и я. Как установил впервые Фарадей (Faraday), проведение электрического тока в растворах связано с передвижением материальных частиц, несущих электрические заряды. Проводящее электрический ток вещество--электролит- распадается на положительно и отрицательно заряженные радикалы, которые действием электростатических сил притягиваются- первые к катоду, вторые - к аноду. Такие атомы или атомные группы (радикалы), двигающиеся в растворе и переносящие электрические заряды, Фарадей назвал ионами: положительно заряженные ионы (двигающиеся к катоду)-катионами, отрицательные-анионами. В отличие от металлических проводников, в к-рых распространение электричества не связано с пере- носом и разложением вещества, растворы электролитов получили название «проводников второго рода». Фарадей считал, что только при пропускании через раствор гальванического тока действием внешних электрических сил часть молекул электролита расщепляется на ионы. Основатель теории электролитической диссоциации Аррениус (Sv. Arrhenius) на основании огромного экспериментального материала показал, что известная часть молекул электролита постоянно диссоциирована на ионы независимо от того, проводит ли раствор в данный момент электрич. ток. Этим было положено начало представлению о существовании в растворе свободных ионов как стойкого состояния материи. Степень диссоциации /Электролита, указывающая, какая часть его молекул распадается на И., составляет в учении Аррениуса основную величину, характеризующую участие электролита в целом ряде процессов, происходящих в растворах. Дальнейшее развитие современная теория электролитической диссоциации и активности электролитов получила в исследованиях Бьеррума, Дебая и Гюккеля (Bjerrum, De-bye, Htickel) и др. Они показали, что активность электролита помимо определяемого степенью его диссоциации числа свободных И. зависит от возникающих между самими ионами электростатических взаимодействий. Влияние этих электростатических межионных сил позволило объяснить многие особенности растворов электролитов, не укладывавшиеся в рамки классической теории Аррениуса. Творцы ионной теории не имели конкретного представления о структуре И. и о способе соединения в нем материи и заряда. Точно так же не получало достаточного разъяснения основное свойство И.-- его изумительная хим. инертность по сравнению с соответствующим нейтральным атомом. Так, атомы натрия бурно реагируют с водой, разлагая ее с выделением водорода; иод дает специфическую реакцию с крахмалом и т. д. Но раствор NaJ, состоящий из свободных И. натрия и иода, не обнаруживает ни одной из этих реакций до тех пор, пока заряд его ионов не будет уничтожен (как то имеет место при электролизе). Эти важнейшие свойства ионов могли быть поняты лишь в свете современной теории строения атома (см.). Структура иона. Согласно теории Резерфорда и Бора (Rutherford, Bohr) материя построена из положительных и отрицательных электрических зарядов. Элементарным положительным зарядом является протон, имеющий массу атома водорода, между тем как свободный отрицательный заряд--элрктрон имеет в 1.800 раз меньшую массу. Атом построен из крайне малого центрального положительного ядра, вокруг которого-наподобие планет, движущихся вокруг солнца-по сложной системе орбит вращаются электроны. Атомное ядро состоит из протонов или же из сочетания протонов с меньшим числом электронов. Число положительных зарядов ядра (или же избыток положительных зарядов над числом внутриядерных электронов) равняется числу электронов окружающей ядро оболочки. I Это число равномерно возрастает на единицу по мере перехода от Н (заряд атомного ядра 1) к каждому последующему элементу, соответственно тому порядку, какой они занимают в периодической системе (см.). Окружающая атомное ядро электронная оболочка состоит из ряда последовательных слоев, каждый из к-рых содержит определенное число электронов. Наружный слой может содержать до 8 электронов (исключение составляет первый электронный слой, непосредственно прилегающий к ядру; наибольшее число электронов равно в нем двум). При наличии в наружном слое полного" числа электронов атом приобретает законченную структуру и необычайно устойчивую электронную конфигурацию, а соответственно этому-полную химич. инертность. Это-атомы благородных газов, хим. валентность которых равна нулю. Переход к следующему элементу периодической системы (щелочному металлу) означает добавление нового электрона, располагающегося на новом наружном электронном слое. Продолжающееся у последующих элементов построение атома заканчивается лишь новым устойчивым сочетанием электронов следующего благородного газа. По Косселю (Kos-sel), электронная конфигурация благородного газа (с восьмиэлектронным наружным слоем) представляет устойчивое состояние, к переходу в к-рое стремится атом каждого элемента. Этот переход совершается путем потери или захвата недостающих электронов. Легче всего он происходит у щелочных металлов и галоидов, из которых первым достаточно потерять, а вторым приобрести один электрон, чтобы уподобиться ближайшему благородному газу. Подобно этому и у других элементов число электронов, которое они должны потерять или приобрести, чтобы обнажить или достроить наружный восьмиэлектронный слой, равняется максимальному числу обнаруживаемых ими положительных или отрицательных валентностей. При этом однако нарушается электронейтральность атома, первоначальное равенство его положительных и отрицательных зарядов. Атом превращается в по^ ложительный или отрицательный И., причем заряд последнего по знаку и величине соответствует валентности соответствующего атома или радикала. Электростатическое притяжение противоположно заряженных И. соединяет их в гетерополярную молекулу. В средах, имеющих, как вода, высокую диэлектрическую постоянную, действие электростатических сил ослабляется, и гетеро-полярная молекула вновь распадается на свои ионы. Таким образом каждый И. имеет электронную структуру не того атома, из к-рого он произошел, а ближайшего благородного газа. От последнего он отличается лишь своим зарядом (и той легкостью, с к-рой, теряя его, он вновь превращается в первоначальный элемент). Такой структурой иона вполне объясняется его важнейшее свойство, отмеченное еще Аррениусом: изумительная химическая инертность, составляющая особенность свободного И. в отличие I от того атома, в который он превращается при потере заряда. Приближаясь к структуре устойчивого, химически инертного благородного газа, ионы друг от друга отличаются лишь величиной и распределением своего электрического заряда, т. е. чисто физическими свойствами. В силу этого они и представляют объект по преимуществу физических методов исследования, объект физической химии. Гидратация и размеры И. Важнейшими физ. свойствами И. являются его размеры и величина электрическ. заряда. От соотношения этих величин зависит и плотность заряда, тем большая, чем меньше размеры частицы, несущей данный заряд. Однако если по структуре И., по их электронной модели мы захотели бы составить себе представление об их относительной величине, то допустили бы серьезную ошибку. Ионы Li - , Na", К" и т. п. в воде состоят не только из указанных веществ, но также из значительного количества тесно с ними связанных и совместно движущихся молекул воды. Молекула воды подобно молекуле многих других веществ представляет собой диполь, на противоположных концах к-рого сосредоточены разноименные заряды (на одном полюсе отрицательный заряд кислорода, на другом-положительный заряд водорода). Такие диполи ориентируются вокруг заряженной частицы, притягиваясь к ней своим разноименным полюсом. В результате каждый ион в водном растворе гидратируется, окружается оболочкой, построенной из молекул воды. Чем дальше от центра, тем эта ориентация делается менее точной, постепенно переходя в хаотическое распределение свободных молекул воды. Т. о. гидратация И. обусловлена их электрическим зарядом (Born). В результате гидратации размеры И., как самостоятельно движущейся частицы, могут значительно повышаться, причем нередко ионы, имеющие меньшие атомные размеры, как напр. Li, достигают даже большей величины, чем И., образовавшиеся из более крупных атомов, как К. Отсюда вытекает и другой, не менее парадоксальный вывод, имеющий большое значение для понимания нек-рых проблем клеточной проницаемости: при распаде молекулы на ионы последние (вместе с окружающей их водной обкладкой!) могут иметь ббльшие размеры, чем сама молекула, их диссоциирующая. ПодвижностьИ. Нек-рые действия свойствены И. наравне с нейтральными молекулами. Таково осмотическое давление, зависящее лишь от кинетической энергии растворенных частиц. Другие обусловлены электрическим зарядом, составляющим отличие И. от нейтральной молекулы. К таким свойствам относится электропроводность. Она определяется произведением числа ионных зарядов и подвижности И. Каждый И. движется в электрическом поле со скоростью, пропорциональной действующей на него силе и обратно пропорциональной встречаемому им сопротивлению. Если разность потенциалов равна одному вольту на 1 ем, то скорость движения (в см/сек. при 18°) выразится для нескольких ионов следующими цифрами: Катион U (см/сек.) Анион V (см/сек.) Na* К" Ag\ NH, 33,0 . ю-" 3.5 .10-" 4.6 .10-" 6,75. 10-* 5.7 .10-" 6,7 .10"" ОН" СГ Вг" Г no; Мпо; 18,2 .ю-" 6,85.10-" 7,0 .1Q-" 6,95. }