Ionty: kationty a anionty

Iont je atom nebo skupina atomů, která má elektrický náboj, protože přijala nebo odevzdala elektrony. Iont s kladným nábojem je kationt: atom elektrony odevzdal, takže mu jich chybí. Iont se záporným nábojem je aniont: atom elektrony přijal a má jich navíc. Sodík odevzdá jeden elektron a stane se kationtem `\ce{Na+}`, chlor jeden elektron přijme a stane se aniontem `\ce{Cl-}`:

`\begin{gathered} \ce{Na -> Na+ + e-} \\[6pt] \ce{Cl + e- -> Cl-} \end{gathered}`

Náboj se píše vpravo nahoru, nejdřív číslo a pak znaménko (`\ce{Ca^2+}`, `\ce{SO4^2-}`), jednička se vynechává. Píše se i kation a anion, obojí je správně. Jaký náboj iont dostane, se u většiny prvků pozná ze skupiny v periodické tabulce, u víceatomových aniontů z kyseliny, ze které pocházejí. Obojí najdete níže i s tabulkou nejběžnějších iontů, a náboje, vzorce a názvy si můžete hned vyzkoušet v procvičování kationtů a aniontů.

Jak iont vzniká a proč

Atom je navenek neutrální: v jádře má tolik kladných protonů, kolik záporných elektronů krouží v obalu. Sodík má protonové číslo 11, tedy 11 protonů a 11 elektronů. Při chemické reakci se počet protonů nemění, mění se jen počet elektronů, a ten rozhoduje o náboji:

`\text{náboj} = \text{protony} - \text{elektrony}`

Proč atom elektrony vůbec odevzdává nebo přijímá? Elektrony jsou v obalu uspořádané do vrstev a nejpevnější uspořádání mají vzácné plyny, které mají v poslední vrstvě osm elektronů (helium dva). Ostatní atomy se k takovému uspořádání dostanou nejkratší cestou. Sodík má elektrony ve vrstvách 2, 8, 1: když ten jeden odevzdá, zůstane mu 2, 8 jako neonu. Chlor má 2, 8, 7: jeden elektron přijme a má 2, 8, 8 jako argon. Zjednodušeně se tomu říká pravidlo oktetu.

Když se sodík setká s chlorem, oba atomy si pomohou najednou: elektron přejde ze sodíku na chlor a opačně nabité ionty `\ce{Na+}` a `\ce{Cl-}` se přitahují. Tak vzniká iontová vazba a krystal kuchyňské soli. Kdy se vazba počítá za iontovou a kdy za kovalentní, rozebírá článek Chemická vazba a elektronegativita.

Příklad 1

Kolik protonů a elektronů má sulfidový aniont `\ce{S^2-}`?

Síra má protonové číslo 16, takže 16 protonů má atom i iont. Náboj −2 znamená, že elektronů je o dva víc než protonů: 16 + 2 = 18. Kontrola podle vzorce výše: 16 − 18 = −2. Síra má tolik elektronů jako argon, stejně jako `\ce{Cl-}`, `\ce{K+}` nebo `\ce{Ca^2+}`.

Pozor na znaménko: kationt má elektronů méně než protonů, aniont víc. Hořečnatý kationt `\ce{Mg^2+}` má 12 protonů a jen 10 elektronů. Počet protonů, neutronů a elektronů atomu i iontu i s postupem spočítá kalkulačka protony, neutrony a elektrony a procvičit ho můžete v procvičování počtu protonů, neutronů a elektronů.

Náboj iontu podle skupiny v periodické tabulce

Počet elektronů v poslední vrstvě, valenčních elektronů, se u hlavních skupin čte přímo z periodické tabulky: prvky 1. skupiny mají jeden, 2. skupiny dva, 13. skupiny tři a od 13. skupiny dál je to číslo skupiny minus deset. Z toho vyplývá náboj:

• Kovy mají valenčních elektronů málo a odevzdají je všechny. Vzniká kationt s nábojem rovným počtu valenčních elektronů: 1. skupina +1, 2. skupina +2, hliník ve 13. skupině +3.
• Nekovy mají valenčních elektronů hodně a do osmi jim jich chybí jen pár. Přijmou je a vzniká aniont: 17. skupina −1, 16. skupina −2, 15. skupina −3. Náboj je číslo skupiny minus 18.
• Vzácné plyny v 18. skupině osm elektronů už mají a ionty běžně netvoří.

Kde prvek v tabulce leží a kolik má valenčních elektronů, ukáže periodická tabulka po kliknutí na prvek a procvičit to můžete ve čtení periodické tabulky.

Pravidlo ze skupiny platí jen pro hlavní skupiny. Přechodné kovy uprostřed tabulky tvoří často dva i více kationtů: železo `\ce{Fe^2+}` i `\ce{Fe^3+}`, měď `\ce{Cu+}` i `\ce{Cu^2+}`. Který to je, se pozná z názvu nebo ze vzorce sloučeniny, ne z tabulky. Vodík stojí v 1. skupině, ale je to nekov: s kovy tvoří i aniont `\ce{H-}` (hydridový) a jeho kationt `\ce{H+}` se ve vodě hned naváže na molekulu vody a vznikne oxoniový kationt `\ce{H3O+}`, o kterém je řeč v oddílu Názvy kationtů.

Názvy kationtů

Kationt kovu se jmenuje přídavným jménem s koncovkou podle náboje, stejnou, jakou má prvek v názvu oxidu nebo soli: náboj +1 dává koncovku -ný, +2 -natý, +3 -itý, +4 -ičitý. Například sodný kationt `\ce{Na+}`, vápenatý kationt `\ce{Ca^2+}`, hlinitý kationt `\ce{Al^3+}`. Celá řada koncovek až do VIII je v článku Názvosloví oxidů a v přehledné tabulce koncovek.

U přechodných kovů koncovka rozliší kationty téhož prvku: `\ce{Fe^2+}` je železnatý a `\ce{Fe^3+}` železitý kationt, `\ce{Cu+}` měďný a `\ce{Cu^2+}` měďnatý. Z koncovky tedy vyčtete náboj a naopak.

Dva běžné kationty nevzniknou z jednoho atomu kovu a mají vlastní jména: amonný kationt `\ce{NH4+}` (z amoniaku `\ce{NH3}`, který přibere `\ce{H+}`) a oxoniový kationt `\ce{H3O+}` (z vody, která přibere `\ce{H+}`). Amonný kationt se v solích chová jako kationt kovu, proto chlorid amonný `\ce{NH4Cl}` a dusičnan amonný `\ce{NH4NO3}`. Oxoniový kationt je v roztoku každé kyseliny a podle jeho koncentrace se počítá pH, viz pH a neutralizace.

Názvy aniontů

Aniont se jmenuje podstatným jménem soli s příponou -ový. Jednoatomové anionty končí na -idový: fluoridový `\ce{F-}`, chloridový `\ce{Cl-}`, bromidový `\ce{Br-}`, jodidový `\ce{I-}`, oxidový `\ce{O^2-}`, sulfidový `\ce{S^2-}` a nitridový `\ce{N^3-}`. Jejich náboj je ten ze skupiny.

Víceatomové anionty pocházejí z kyselin. Kyselina ve vodě odevzdá své vodíky jako kationty `\ce{H+}`, elektrony si ale nechá zbytek kyseliny. Proto má aniont tolik záporných nábojů, kolik vodíků kyselina odevzdala, a jeho vzorec je vzorec kyseliny bez těchto vodíků:

`\begin{gathered} \ce{H2SO4 -> 2 H+ + SO4^2-} \\[6pt] \ce{H3PO4 -> 3 H+ + PO4^3-} \end{gathered}`

Jméno aniontu je jméno soli: z kyseliny sírové je síran a aniont `\ce{SO4^2-}` je síranový, z kyseliny dusičné dusičnan, aniont `\ce{NO3-}` je dusičnanový. Jak se koncovka kyseliny mění v koncovku soli (-ová na -an, -ičná na -ičnan a další) a úplnou tabulku aniontů najdete v článku Názvosloví solí, samotné kyseliny v Názvosloví kyselin.

Kyselina nemusí odevzdat všechny vodíky. Když kyselina uhličitá `\ce{H2CO3}` odevzdá jen jeden, zbude hydrogenuhličitanový aniont `\ce{HCO3-}` s nábojem −1, ten, který stojí na každé etiketě minerálky. Mezi běžné anionty patří ještě hydroxidový aniont `\ce{OH-}`, který je ve všech hydroxidech a dělá roztoky zásaditými.

Náboj aniontu není oxidační číslo centrálního atomu. V síranovém aniontu má síra oxidační číslo VI, ale celý aniont `\ce{SO4^2-}` nese náboj −2, protože k síře patří čtyři kyslíky po −II: 6 + 4 · (−2) = −2. Oxidační číslo se píše římsky a patří jednomu atomu, náboj se píše arabsky a patří celému iontu. U jednoatomového iontu mají obě čísla stejnou hodnotu, `\ce{Fe^3+}` je železo s oxidačním číslem III.

Příklad 2

Jaký vzorec a náboj má dusitanový aniont?

Dusitan je sůl kyseliny dusité `\ce{HNO2}`. Kyselina má jeden vodík, aniont proto vznikne jeho odevzdáním a má náboj −1: `\ce{NO2-}`. Kontrola přes oxidační čísla: koncovka -itá znamená dusík III a 3 + 2 · (−2) = −1. Nezaměňte ho s dusičnanovým aniontem `\ce{NO3-}`, který má o kyslík víc a dusík V.

Ionty ve vodě: minerálka, elektrolyty a elektrolýza

Rozpuštěná iontová látka se ve vodě rozpadne na volné ionty, říká se tomu elektrolytická disociace. Kuchyňská sůl ve vodě netvoří molekuly NaCl, ale volné ionty sodné a chloridové:

`\begin{gathered} \ce{NaCl -> Na+ + Cl-} \\[6pt] \ce{CaCl2 -> Ca^2+ + 2 Cl-} \end{gathered}`

Proto stojí na etiketě minerální vody obsah kationtů a aniontů v miligramech na litr: kationty `\ce{Na+}`, `\ce{K+}`, `\ce{Mg^2+}` a `\ce{Ca^2+}`, anionty `\ce{HCO3-}`, `\ce{SO4^2-}`, `\ce{Cl-}` a často `\ce{F-}`. Do sportovních nápojů se přidávají elektrolyty, což jsou právě ionty sodíku a draslíku, které tělo ztrácí potem.

Roztok s ionty vede elektrický proud, destilovaná voda téměř ne. Když do roztoku ponoříme dvě elektrody, kladné ionty putují k záporné elektrodě, katodě, a záporné ke kladné anodě. Odtud pocházejí i jména: kationt jde ke katodě, aniont k anodě.

Od iontů ke vzorci soli

Sůl je složená z kationtů a aniontů a jako celek je neutrální. Kladných a záporných nábojů v ní musí být stejně, a to stačí ke vzorci: vezme se tolik kationtů a aniontů, aby se náboje vyrovnaly. Ve vzorci se kationt píše první, v názvu je aniont první.

Příklad 3

Napište vzorec síranu hlinitého.

Síranový aniont je `\ce{SO4^2-}`, hlinitý kationt `\ce{Al^3+}`. Nejmenší společný násobek nábojů 3 a 2 je 6. Šest kladných nábojů dají dva hlinité kationty, šest záporných tři síranové anionty. Víceatomový aniont, kterého je víc než jeden, patří do závorky: `\ce{Al2(SO4)3}`. Kontrola: 2 · (+3) + 3 · (−2) = 0.

Příklad 4

Z jakých iontů se skládá `\ce{Fe2(SO4)3}` a jak se sloučenina jmenuje?

Skupina v závorce je síran `\ce{SO4^2-}`. Tři síranové anionty mají dohromady 3 · (−2) = −6. Ty musí vyrovnat dva atomy železa, každý tedy nese +3: jde o kationty `\ce{Fe^3+}` a ve vodě se sloučenina rozpadne takto:

`\ce{Fe2(SO4)3 -> 2 Fe^3+ + 3 SO4^2-}`

Náboj +3 dává koncovku -itý, název je síran železitý.

Tomuto postupu se říká křížové pravidlo a celé ho i s hydrogensolemi a hydráty vysvětluje Názvosloví solí. Vzorec z názvu sestaví kalkulačka názvosloví solí z názvu na vzorec, název ze vzorce kalkulačka název soli ze vzorce a samotné soli procvičíte v procvičování názvosloví solí.

Časté chyby

• Kationt má elektronů víc. Je to naopak: kladný náboj znamená, že elektrony chybí. `\ce{Na+}` má 11 protonů a 10 elektronů.
• Náboj zapsaný jako oxidační číslo nebo obráceně. Iont je `\ce{Ca^2+}`, ne Ca⁺² ani Ca^II. Číslo jde před znaménko a arabsky.
• Náboj místo počtu atomů. `\ce{O^2-}` je jeden oxidový aniont, `\ce{O2}` molekula kyslíku a `\ce{O2^2-}` peroxidový aniont. Dolní index počítá atomy, horní náboj.
• Náboj víceatomového aniontu z oxidačního čísla. Síranový aniont nemá náboj −6 ani +6. Náboj se pozná z počtu vodíků kyseliny: `\ce{H2SO4}` má dva, aniont `\ce{SO4^2-}` má −2.
• Náboj přechodného kovu ze skupiny. Železo je v 8. skupině, ale `\ce{Fe^8+}` neexistuje. Náboj se čte z koncovky (železnatý, železitý) nebo se dopočítá ze vzorce jako v příkladu 4.
• Chybějící závorka. Tři dusičnanové anionty v soli se píšou (NO₃)₃, ne NO₃₃: dusičnan hlinitý je `\ce{Al(NO3)3}`.

Příklady k procvičení

Kam dál

Náboje, vzorce a názvy iontů s okamžitou kontrolou najdete v procvičování kationtů a aniontů, počty elektronů v iontech v procvičování protonů, neutronů a elektronů. Pro libovolný atom nebo iont je spočítá kalkulačka protonů, neutronů a elektronů, náboj podle skupiny ukáže periodická tabulka.

Z iontů se skládají soli, jejich názvy a vzorce vysvětluje Názvosloví solí. Dvouprvkové iontové sloučeniny jako `\ce{NaCl}` nebo `\ce{CaS}` probírá Názvosloví halogenidů a sulfidů. Odkud se berou víceatomové anionty, vysvětluje Názvosloví kyselin, a proč spolu ionty drží, Chemická vazba a elektronegativita.