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Un ion es un átomo o molécula que presenta un número de electrones diferente al número de protones, lo que hace que el átomo o la molécula adquiera una carga eléctrica neta no neutra. Es decir, son átomos o moléculas cargadas eléctricamente, ya sea una carga positiva o una carga negativa.

El término ion, del griego ἰών [ion] (“yendo” o “que va”), fue introducido por el químico Michael Faraday en 1834 para designar a especies químicas que viajaban de un electrodo a otro y que hasta entonces eran desconocidas.

Tipos y características generales

Los electrones tienen carga negativa y lo protones carga positiva. Si un ion tiene más electrones que protones, la carga neta del ion será negativa. Este tipo de ion se conoce como anión. Si el ion tiene menos electrones que protones, la carga neta será positiva y el ion se conoce como catión:

  • Anión: ion con más electrones que protones. Su carga eléctrica es de signo negativo e igual al número de electrones menos el número de protones. Se denota con el símbolo del átomo o molécula y un superíndice con el número de carga (número de electrones en exceso) seguido del signo negativo (−). Si solo hay un electrón extra, el número se puede omitir. Por ejemplo, el anión Cl es el anión formado por el átomo de cloro y un electrón extra; el anión S2− es el anión formado por un átomo de azufre con dos electrones extra.
  • Catión: ion con más protones que electrones. Su carga eléctrica es de signo positivo e igual al número de protones menos el número de electrones. Se denota con el símbolo del átomo o molécula y un superíndice con el número de protones en exceso seguido del signo positivo (+). Por ejemplo, el Hg2+ es el catión formado por un átomo de mercurio con dos electrones menos, o dos protones más, respecto al estado neutral.

Todos los iones presentan las siguientes características, independientemente del signo de su carga eléctrica:

  • son atraídos por una carga eléctrica opuesta (negativa por positiva y positiva por negativa).
  • son repelidos por una carga eléctrica del mismo signo.
  • cuando se mueven, su trayectoria puede desviarse por acción de campos magnéticos.

El tamaño de un ion se mide por el radio iónico. En comparación con el estado neutral, los aniones suelen ser más grandes, ya que la nube electrónica tiene una gran influencia en este radio y al haber más electrones que se repelen entre sí, el radio de esta nube aumenta. Por el contrario, los cationes suelen ser más pequeños.

Formación

La formación de iones, o ionización, se puede entender como el proceso de pérdida o ganancia de electrones o de protones desde un estado eléctricamente neutro.

Generalmente, la formación de iones monoatómicos se debe a la pérdida o ganancia de electrones de la capa de valencia de un átomo, que es la capa electrónica más externa. Los electrones de capas más internas no participan en la ionización, pues interactúan más estrechamente con la carga positiva del núcleo.

Un átomo se puede ionizar con múltiples mecanismos; por ejemplo, un catión se puede formar arrancado electrones de un átomo aplicando energía a través de calor, radiación, bombardeo con partículas o cualquier otro proceso en el que un electrón de la capa de valencia pueda absorber la suficiente energía como para escapar el átomo.

Ionización: formación de un catión
Ionización: formación de un catión

Pero el mecanismo de ionización más común en la naturaleza es la transferencia de electrones entre dos átomos. Esta transferencia se produce en favor de configuraciones electrónicas estables y cada átomo que participe en la transferencia cederá o aceptará electrones en función de la acción energéticamente más favorable.

Por el ejemplo, el átomo de sodio, de símbolo Na, presenta un sólo electrón en su capa de valencia rodeando a dos capas completas y estables. El átomo de cloro, de símbolo Cl, presenta 7 electrones en su capa de valencia y le falta sólo uno para completarla. Cuando ambos átomos se encuentran, el sodio tiende a ceder el electrón y el cloro a aceptarlo, de modo que ambos se quedan con orbitales electrónicos completos y se produce la ionización. El sodio forma un catión (Na+) y el cloro un anión (Cl); la interacción eléctrica entre ambos forma un enlace iónico y juntos forman el cloruro sódico o sal común, NaCl.

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Na → Na+ + e
Cl + e → Cl
Na+ + Cl → NaCl

La sustancias formadas por enlace iónico, como el cloruro sódico, tienden a tener buena solubilidad en disolventes polares, ya que la polaridad de las moleculas del disolvente pueden solvatar a los iones de la molécula y mantenerlos separados de forma estable.

De hecho, los iones en la Tierra se presentan mayoritariamente en estado sólido y en disolución, siendo muy poco abundantes en estado gaseoso, estado en el que son muy reactivos. Una sustancia iónica en estado gaseoso se denomina plasma y necesita mucha energía para formarse y mantenerse estable, por ejemplo, se forman plasmas en las zonas más calientes de una llama o con descargas eléctricas.

A diferencia de los iones monoatómicos, los iones moleculares tienden a formarse por la ganancia de otros iones elementales, como el hidrón o catión hidrógeno H+, al que es muy común referirse también como protón, sobre todo en química.

El hidrón es muy inestable en disolución y siempre se encuentra unido a otras sustancias. En disolución acuosa se puede unir a la molécula de agua y formar oxonio (H3O+); también se puede unir a otras sustancias, por ejemplo se puede unir al amoniaco (NH3) para formar el catión amonio (NH4+).

amonio
Protonización del amoníaco para formar amonio

También puede haber intercambio de protones como proceso de ionización. Por ejemplo, el ácido sulfúrico se ioniza y forma un anión tras ceder un hidrón a la molécula de agua:

H2SO4 + H2O ⇌ H3O+ + HSO4

Potencial de ionización

El potencial de ionización, o energía de ionización, es una medida de la energía necesaria para transformar un determinado átomo en un ion. Se define como la energía necesaria para desprender un electrón en su estado estable de menor energía de un átomo o molécula en estado gaseoso.

La energía para desprender un segundo electrón se denominaría segunda energía de ionización, y así se puede definir la n energía de ionización para desprender el n electrón cuándo todos los electrones n – 1 ya se han desprendido.

Cada energía de ionizacón es mayor a la anterior, con cada vez mayor diferencia, debido a que cuando un orbital se queda vacío, los siguientes orbitales se encuentran completos, estado en el que tienden a ser estables. Por ejemplo, el ión Na+ tiene todos sus orbitales completos, mientras que el átomo de sodio neutro tiene un electrón desapareado en su capa de valencia; la energía de ionización del sodio para el primer electrón es bastante inferior que la segunda energía de ionización.

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