دانشنامه‌ی اصطلاحات شیمی · مفهوم بنیادی
کاتیون چیست؛ چرا کم شدن الکترون، بار را مثبت می‌کند؟
کاتیون از نمکدان تا باتری تلفن حضور دارد؛ اما بار مثبت همیشه از یک مسیر ساخته نمی‌شود.
- پایه‌ی دهم
- کنکور: مستقیم
- دشواری: آسان
- شیمی عمومی
تعریف در یک نگاه
کاتیون چیست؟
تعریف دقیق علمی
کاتیون گونه‌ای تکاتمی یا چنداتمی با بار خالص مثبت است که مقدار بار آن برابر یک یا چند برابر بار بنیادی پروتون است.
بر پایه‌ی International Union of Pure and Applied Chemistry
به زبان ساده
کاتیون یک اتم یا گروهی از اتم‌های به‌هم‌پیوسته است که در مجموع بار الکتریکی مثبت دارد.
یک دانه‌ی نمک در نمکدان را در نظر بگیرید. آیا کاتیون سدیم پیش از افتادن نمک در آب هم وجود دارد؟ بله؛ خود بلور نمک از یون‌های سدیم و کلرید ساخته شده است. شناخت کاتیون کمک می‌کند علامت بار ذره‌ها و فرمول نمک‌ها را درست بخوانیم. با این شناخت می‌فهمیم چرا خنثی بودن یک ترکیب، لزوماً به معنی خنثی بودن ذره‌های سازنده‌ی آن نیست.
برای فهم بار مثبت، باید مجموع بارهای مثبت و منفی ذره را حساب کنیم. سپس می‌توانیم سه فرایند متفاوت را از هم جدا کنیم: تشکیل کاتیون، جدا شدن یون‌های موجود در بلور و جابه‌جایی یون‌ها. این تفاوت، هم رفتار نمک در آب را روشن می‌کند و هم به فهم کار باتری تلفن کمک می‌کند.
۰۱معنی دقیق
کاتیون چیست و مثبت بودنش یعنی چه؟
کاتیون، اتم یا گروهی از اتم‌های به‌هم‌پیوسته است که در مجموع بار الکتریکی مثبت دارد. مقدار این بار، یک یا چند برابر بار مثبت یک پروتون است. برای مثال، کاتیون سدیم یک بار مثبت به اندازه‌ی بار یک پروتون دارد. در شیمی، چنین ذرهای را «گونه‌ی شیمیایی» می‌نامیم؛ یعنی ذرهای که ترکیب و بار مشخصی دارد. پس برای شناخت یک کاتیون، هم اتم‌های سازنده‌ی آن و هم بار کل ذره را مشخص می‌کنیم.
پروتون در هسته‌ی اتم قرار دارد و بارش مثبت است؛ الکترون بار منفی دارد. بزرگی بار یک پروتون و یک الکترون برابر است، بنابراین بارهای آن‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند. در اتم خنثی، مانند اتم سدیم، تعداد پروتونها و الکترونها برابر است. پس مجموع بارهای مثبت و منفی اتم صفر می‌شود.
اتم خنثی سدیم با از دست دادن یک الکترون به کاتیون سدیم تبدیل می‌شود. با جدا شدن این الکترون، یک بار منفی از اتم کم می‌شود. در نتیجه، بار الکترون‌های باقی‌مانده برای خنثی کردن بار همه‌ی پروتونها کافی نیست و ذره بار مثبت پیدا می‌کند. پس سدیم با از دست دادن الکترون مثبت می‌شود، نه با اضافه شدن پروتون به هسته.
بار «خالص» یعنی حاصل جمع همه‌ی بارهای مثبت و منفی ذره. کاتیون سدیم هنوز الکترون دارد، اما تعداد الکترون‌های آن از تعداد پروتون‌هایش کمتر است. بنابراین، بارهای منفی نمی‌توانند تمام بارهای مثبت آن را خنثی کنند.
پس کاتیون را از روی بار کل مثبت آن می‌شناسیم؛ فلزی یا تکاتمی بودن شرط کاتیون بودن نیست. کاتیون سدیم نمونه‌ای تکاتمی است، اما کاتیون‌های چنداتمی هم وجود دارند. همچنین، همه‌ی کاتیون‌ها با جدا شدن الکترون از اتم خنثی تشکیل نمی‌شوند. برای شناخت هر کاتیون، باید بار آن و چگونگی تشکیلش را جداگانه بررسی کنیم.
۰۲مرز مفاهیم
تفاوت کاتیون و آنیون در چیست؟
یون ذرهای است که بار الکتریکی خالص دارد. اگر این بار مثبت باشد، ذره کاتیون است؛ اگر منفی باشد، آن را آنیون می‌نامیم. اتم خنثی بار خالص ندارد و در هیچ‌یک از این دو دسته قرار نمی‌گیرد. بنابراین، تفاوت کاتیون و آنیون را علامت بار مشخص می‌کند، نه نام عنصر یا تعداد اتم‌های سازنده‌ی ذره.
تکاتمی یا چنداتمی بودن به تعداد اتم‌های سازنده‌ی یون مربوط است. کاتیون یا آنیون بودن را علامت بار خالص یون مشخص می‌کند. اگر چند اتمِ متصل به هم در مجموع بار مثبت داشته باشند، یک کاتیون چنداتمی تشکیل می‌دهند.
آمونیوم (NH4+) و هیدرونیوم (H3O+) دو نمونه‌ی کاتیون چنداتمی هستند. در نماد این ذره‌ها، علامت مثبت به کل گروه تعلق دارد. برای مثال، بار مثبت آمونیوم را برای مجموعه‌ی اتم‌های آن می‌خوانیم، نه فقط برای آخرین اتم نوشته‌شده.
آمونیوم کلرید (NH4Cl) نمکی است که کاتیون آن آمونیوم و آنیون آن کلرید است. این نمونه نشان میدهد کاتیون یک نمک می‌تواند چنداتاست. تعداد عنصرهای نوشته‌شده در فرمول، بار ذره را مشخص نمی‌کند. نماد آمونیوم (NH4+) یک یون مثبت را نشان میدهد، اما NH4Cl فرمول ترکیب یونی خنثیِ آمونیوم کلرید است.
| گونه | بار خالص | نکتهٔ تشخیص |
|---|---|---|
| اتم خنثی | خنثی | با از دست دادن الکترون می‌تواند کاتیون شود |
| کاتیون تکاتمی | مثبت | مانند یون سدیم (Na+) |
| کاتیون چنداتمی | مثبت | مانند یون آمونیوم (NH۴+) |
| آنیون | منفی | مانند یون کلرید (Cl-) در نمک طعام |
منبع: OpenStax, Rice University، International Union of Pure and Applied Chemistry
۰۳رد نام
چرا نام کاتیون به کاتد گره خورد؟
در نامه‌ی ۵ مه ۱۸۳۴، ویلیام هیوول نامهای کاتیون و آنیون را به مایکل فارادی پیشنهاد کرد. فارادی درباره‌ی برقکافت پژوهش می‌کرد؛ یعنی ایجاد تغییر شیمیایی با کمک جریان برق. او برای نامیدن گونه‌هایی که در این فرایند به جهت‌های متفاوت می‌رفتند، به اصطلاح‌هایی روشن نیاز داشت. هیوول پیشنهاددهنده‌ی نام بود و فارادی آن را در پژوهش‌هایش به کار برد.
فارادی در پژوهش منتشرشده‌ی سال ۱۸۳۴، ذره‌هایی را که به سوی کاتد حرکت می‌کردند، کاتیون نامید. کاتد یکی از الکترودها، یعنی بخش‌های رسانای دستگاه برقکافت است. در این نام‌گذاری تاریخی، حرکت به سوی کاتد مبنا بود؛ در تعریف امروزی، بار مثبت ذره ملاک است.
سوانته آرنیوس در رساله‌ی دکتری سال ۱۸۸۴، مبانی نظریه‌ی تفکیک الکترولیت‌ها را ارائه کرد. الکترولیت ماده‌ای است که در محلول، یون‌های حامل بار فراهم می‌کند؛ سدیم کلرید نمونه‌ای از آن است. این نظریه توضیح می‌داد که الکترولیت‌ها در آب به یون‌ها تفکیک می‌شوند و به شناخت رفتار محلول‌ها کمک کرد. آرنیوس برخلاف هیوول و فارادی، در نام‌گذاری کاتیون نقشی نداشت؛ او به توضیح علمی رفتار یون‌ها کمک کرد.
ویرایش پنجم گلدبوک در سال ۲۰۲۵، کاتیون را بر پایه‌ی داشتن یک یا چند بار بنیادی مثبت تعریف می‌کند. این تعریف برای تشخیص کاتیون، دانستن جهت حرکت آن را لازم نمی‌داند. سال انتشار این ویرایش، سال پیدایش تعریف امروزی نیست. نام‌گذاری اصطلاح، گسترش نظریه‌ی یون‌ها و ثبت تعریف بارمحور، رویدادهای جداگانه‌ای هستند.
- ۱۸۳۴
پیشنهاد نام کاتیون
هیوول نام کاتیون را در نامهای به فارادی پیشنهاد کرد.
- ۱۸۸۴
توضیح تفکیک به یون‌ها
آرنیوس مبانی نظریهٔ تفکیک الکترولیت‌ها در آب را ارائه کرد.
- ۲۰۲۵
تعریف در ویرایش جدید گلدبوک
در تعریف امروزی، کاتیون یونی است که بار آن مثبت و برابر با یک یا چند بار بنیادی است.
منبع: Epsilon: The Michael Faraday Collection / Faraday Project، Nobel Prize
۰۴پشت پرده
کاتیون چگونه تشکیل می‌شود؟
وقتی اتم خنثی یک یا چند الکترون از دست میدهد، تعداد الکترون‌هایش از پروتون‌هایش کمتر می‌شود و به کاتیون تبدیل می‌شود. در این فرایند، هسته و تعداد پروتونها تغییر نمی‌کنند. تعداد پروتون‌های هسته نوع عنصر را مشخص می‌کند؛ پس اتم با از دست دادن الکترون به عنصر دیگری تبدیل نمی‌شود. برای مثال، کاتیون سدیم همچنان به عنصر سدیم تعلق دارد.
برای اتم سدیم گازی، جدا شدن یک الکترون را چنین نشان می‌دهیم: Na(g) → Na+(g) + e−. در این نمایش، Na نماد سدیم، g نشانه‌ی حالت گازی و e− نماد الکترون است. جدا کردن الکترون از اتم گازی به انرژی نیاز دارد. پس پیکان معادله نشان نمی‌دهد که الکترون خودبه‌خود و بدون دریافت انرژی جدا می‌شود.
وقتی اتم سدیم با از دست دادن الکترون به کاتیون تبدیل می‌شود، اندازه‌ی آن کوچک‌تر می‌شود. بهطور کلی، کاتیون تکاتمی که با از دست دادن الکترون تشکیل می‌شود، از اتم خنثی همان عنصر کوچک‌تر است. این قاعده فقط اتم و کاتیون همان عنصر را مقایسه می‌کند؛ برای مقایسه‌ی دو عنصر متفاوت کافی نیست.
حذف الکترون از یک اتم، تنها مسیر تشکیل کاتیون نیست. آمونیاک (NH3) با پذیرفتن پروتون به کاتیون آمونیوم تبدیل می‌شود. در این فرایند، یک ذره‌ی چنداتمی پروتون می‌پذیرد؛ از اتم خنثی الکترونی جدا نمی‌شود. نتیجه همچنان ذرهای با بار خالص مثبت است. به همین دلیل، کاتیون را بر اساس بارش تعریف می‌کنیم، نه بر اساس یک روش خاص تشکیل آن.
حل شدن سدیم کلرید (NaCl) در آب، فرایندی متفاوت است. کاتیون‌های سدیم و آنیون‌های کلرید از پیش در بلور وجود دارند. هنگام انحلال، این یون‌ها از شبکه جدا و آب‌پوشیده می‌شوند؛ یعنی مولکول‌های آب پیرامون آن‌ها قرار می‌گیرند. پس در اینجا اتم سدیم با از دست دادن الکترون به کاتیون تبدیل نمی‌شود. آب، یون‌های موجود در بلور را از یکدیگر جدا می‌کند.
این معادله، یونش را نشان میدهد؛ بار کل در هر دو سوی معادله صفر است.
منبع: OpenStax, Rice University
۰۵خواندن نماد
از نماد کاتیون، بار را چطور بخوانیم؟
بار کاتیون نشان میدهد چه مقدار از بار مثبت پروتونها با بار منفی الکترونها خنثی نشده است. این بار را در بالای سمت راست نماد می‌نویسیم. برای نمونه، کاتیون سدیم را با Na+ نشان می‌دهیم. علامت مثبتِ بدون عدد، یک بار بنیادی مثبت را نشان میدهد. منظور از بار بنیادی مثبت، مقدار بار یک پروتون است.
در نماد کاتیون کلسیم، Ca2+، بالانویس نشان میدهد یون دو بار بنیادی مثبت دارد. کاتیون آلومینیم، Al3+، سه بار بنیادی مثبت دارد. این عددها تعداد اتم‌ها نیستند؛ هرکدام از این نمادها به یک یون تکاتمی اشاره می‌کند. در مقابل، عدد زیروند پس از نماد هر عنصر، تعداد اتم‌های آن عنصر را نشان میدهد. پس معنای عدد به جای آن در نماد یا فرمول بستگی دارد.
برای پیدا کردن بار ذره، تعداد الکترونها را از تعداد پروتونها کم کنید. چون بزرگی بار پروتون و الکترون برابر است، این اختلاف بار خالص را بر حسب بار بنیادی نشان میدهد. برای مثال، ذرهای ۲۰ پروتون و ۱۸ الکترون دارد. با کم کردن ۱۸ از ۲۰، اختلاف ۲ به دست می‌آید. چون پروتونها بیشترند، ذره دو بار بنیادی مثبت دارد. تعداد ۲۰ پروتون، عنصر کلسیم را مشخص می‌کند؛ پس این ذره کاتیون کلسیم با نماد Ca2+ است.
- ابتدا عنصر را از روی عدد اتمی، یعنی تعداد پروتون‌های هسته، شناسایی کنید.
- سپس تعداد الکترونها را از تعداد پروتونها کم کنید؛ اگر پروتونها بیشتر باشند، حاصل تعداد بارهای بنیادی مثبت است.
- در پایان، نماد عنصر را همراه بار آن بنویسید تا هم نوع عنصر و هم بار ذره مشخص باشد.
حساب بار برای نوشتن فرمول ترکیب یونی هم به کار می‌آید. در کلسیم کلرید (CaCl2)، هر کاتیون کلسیم با دو آنیون کلرید همراه است. یون کلرید (Cl−) یک بار بنیادی منفی دارد؛ بنابراین دو آنیون کلرید، بار یک کاتیون کلسیم را خنثی می‌کنند. در ترکیب یونی خنثی، مجموع بارها باید صفر شود، نه اینکه حتماً تعداد کاتیون‌ها و آنیون‌ها برابر باشد.
منبع: OpenStax, Rice University
ذرهای ۲۰ پروتون و ۱۸ الکترون دارد. بار و نماد آن چیست؟
- ۱
اختلاف شمار پروتونها و الکترونها را حساب می‌کنیم: ۲۰ - ۱۸ = ۲.
- ۲
ذره دو بار بنیادی مثبت دارد، پس کاتیون است.
- ۳
عدد اتمی ۲۰ مربوط به کلسیم است؛ بنابراین نماد یون Ca۲+ است.
جوابکاتیون کلسیم، Ca۲+، با بار +۲e.
۰۶در زندگی
از نمکدان تا تلفن، کاتیون کجا حضور دارد؟
در یک دانه‌ی نمک طعام، یون‌های مثبت سدیم و یون‌های منفی کلرید در ساختاری گسترده کنار هم قرار گرفته‌اند. این ساختار را شبکه‌ی بلوری می‌نامیم. پس بلور سدیم کلرید مجموعه‌ای از مولکول‌های جداگانه‌ی نمک نیست. فرمول سدیم کلرید نسبت یون‌های موجود در این شبکه را نشان میدهد، نه یک مولکول مستقل را.
در باتری لیتیوم‌یونی تلفن همراه، کاتیون‌های لیتیوم هنگام شارژ و تخلیه میان دو الکترود جابه‌جا می‌شوند.
کاتیون‌ها میان درون و بیرون سلول هم جابه‌جا می‌شوند. پمپ سدیم‌ـ‌پتاسیم سامانه‌ای است که یون‌های سدیم و پتاسیم را در دو جهت مخالف، به درون و بیرون سلول منتقل می‌کند:
- پمپ در هر چرخه، سه کاتیون سدیم را از درون سلول به بیرون منتقل می‌کند.
- هم‌زمان، دو کاتیون پتاسیم را در جهت مخالف سدیم، از بیرون به درون سلول می‌برد.
محلول وریدی سدیم کلرید برای تأمین آب و الکترولیت به کار می‌رود. در این محلول، علاوه بر آب، کاتیون‌های سدیم و آنیون‌های کلرید نیز وجود دارند. در بررسی ترکیب این محلول، باید هم مقدار آب و هم یون‌های موجود در آن را در نظر بگیریم.
الکترولیت و کاتیون یک معنی ندارند. سدیم کلرید یک الکترولیت است؛ کاتیون سدیم یکی از یون‌های موجود در محلول آن است. بااین‌حال، شناخت ترکیب محلول به‌تنهایی برای تصمیم درباره‌ی مصرف یا تزریق آن کافی نیست. کاربرد درمانی این محلول را باید متخصص تعیین کند.
نمکدان
کاتیون‌های سدیم پیش از حل شدن نمک هم در بلور حضور دارند.
باتری تلفن
یون‌های لیتیوم هنگام شارژ و تخلیه میان الکترودها جابه‌جا می‌شوند.
مرز سلول
پمپ سدیم‌ـ‌پتاسیم، یون‌های سدیم را از سلول بیرون می‌برد و یون‌های پتاسیم را وارد سلول می‌کند.
محلول وریدی سدیم کلرید
این محلول پزشکی برای تأمین آب و الکترولیت به کار می‌رود.
۰۷پشت دستگاه
سختی‌گیر آب با کاتیون‌ها چه می‌کند؟
کاتیون‌های کلسیم و منیزیم عامل اصلی سختی آب و تشکیل رسوب در تجهیزات گرم‌کننده‌ی آب هستند. پس برای کاهش سختی، دانستن تعداد یون‌ها کافی نیست؛ باید نوع آن‌ها را هم بشناسیم. دستگاه سختی‌گیر تبادل کاتیونی با جایگزین کردن این یون‌ها، سختی آب را کاهش میدهد.
در سختی‌گیر، ماده‌ای وجود دارد که یون‌های کلسیم و منیزیم آب را می‌گیرد و به‌جای آن‌ها یون‌های سدیم یا پتاسیم آزاد می‌کند. این فرایند را تبادل کاتیونی می‌نامیم. در نتیجه، یون‌های عامل اصلی سختی از آب گرفته می‌شوند، اما کاتیون‌های دیگری جای آن‌ها را می‌گیرند.
کاهش سختی به معنی حذف همه‌ی یون‌های آب نیست. آب خروجی سختی‌گیر همچنان کاتیون دارد، اما نوع کاتیون‌های آن تغییر کرده است. وجود کاتیون در آب به‌تنهایی نشان نمی‌دهد آب سخت است؛ برای بررسی سختی باید نوع کاتیون‌ها را بشناسیم.
- ۱
ورود آب سخت
آب، کاتیون‌های کلسیم و منیزیم را به سختی‌گیر می‌رساند.
- ۲
جایگزینی کاتیون‌ها
کاتیون‌های کلسیم و منیزیم با کاتیون‌های سدیم یا پتاسیم جایگزین می‌شوند.
- ۳
خروج آب کم‌سختی
کاتیون‌های جایگزین در آب می‌مانند؛ بنابراین همهٔ یون‌ها حذف نشده‌اند.
۰۸سر جلسه
کاتیون در شیمی دهم چگونه سؤال می‌شود؟
در شیمی دهم، فصل «کیهان، زادگاه عنصرها»، کاتیون در مبحث تشکیل یون‌ها معرفی می‌شود. از این مفهوم برای شمارش الکترونها، تشخیص بار یون و نوشتن فرمول ترکیب یونی استفاده می‌کنیم.
برای پاسخ دادن، ابتدا مشخص کنید سؤال چه چیزی می‌خواهد: شمار ذره‌ها، خواندن نماد، فرمول ترکیب یا مقایسه‌ی اندازه. روش حل این سؤال‌ها یکسان نیست. برای مثال، اختلاف تعداد پروتونها و الکترونها، بار یک ذره را مشخص می‌کند. اما برای نوشتن فرمول ترکیب یونی، باید بار کاتیون و آنیون را با هم در نظر بگیرید.
- در سؤال شمار ذره‌ها، ابتدا عنصر و تعداد پروتون‌هایش را مشخص کنید؛ تشکیل کاتیون با حذف الکترون، تعداد پروتونها را تغییر نمی‌دهد.
- در سؤال خواندن نماد، جای عدد را بررسی کنید؛ بالانویس بار را نشان میدهد و زیروند تعداد اتم مربوط به خود را.
- در سؤال فرمول ترکیب یونی، تعداد یون‌ها را طوری انتخاب کنید که مجموع بارها صفر شود؛ تعداد یون‌های مثبت و منفی لزوماً برابر نیست.
برای خنثی کردن بار ۶ کاتیون کلسیم، چند آنیون کلرید لازم است؟ هر کاتیون کلسیم دو بار بنیادی مثبت دارد؛ پس این ۶ کاتیون در مجموع ۱۲ بار بنیادی مثبت دارند. هر آنیون کلرید یک بار بنیادی منفی دارد، بنابراین ۱۲ آنیون کلرید لازم است. نسبت ۶ به ۱۲ همان نسبت یک به دو در فرمول کلسیم کلرید (CaCl2) است.
برای استفاده از قاعده‌ی کوچک‌تر بودن کاتیون، اتم خنثی و کاتیون باید از یک عنصر باشند؛ مانند اتم سدیم و کاتیون سدیم.
دهم: فصل «کیهان، زادگاه عنصرها»، تشکیل یون و ترکیب یونی؛ دوازدهم: فصل «شیمی، جلوه‌ای از هنر، زیبایی و ماندگاری»، ساختار و اندازهٔ یون‌ها.
با شناخت کاتیون می‌توانیم تعداد الکترونها و بار یون را تعیین کنیم و فرمول ترکیب یونی را بنویسیم.
- هنگام تشکیل کاتیون از اتم، شمار الکترونها کم می‌شود، نه شمار پروتونها.
- بار مثبت را از اختلاف شمار پروتونها و الکترونها به دست آورید.
- بالانویس بار را با زیروند تعداد اتم‌ها اشتباه نگیرید.
- در فرمول ترکیب یونی، مجموع بارها باید صفر شود.
پرسش نمونهآیا تعداد کاتیون‌ها و آنیون‌ها در هر ترکیب یونی خنثی الزاماً برابر است؟دیدن پاسخ
خیر؛ مجموع بارهای مثبت و منفی صفر است، اما تعداد یون‌ها الزاماً برابر نیست. برای مثال، در CaCl۲ نسبت کاتیون به آنیون ۱:۲ است.
۰۹خطای ذهنی
کدام برداشت‌ها درباره‌ی کاتیون گمراه‌کننده‌اند؟
اتم خنثی با گرفتن الکترون کاتیون نمی‌شود؛ با از دست دادن الکترون بار مثبت پیدا می‌کند. برای مثال، اتم سدیم با از دست دادن یک الکترون به کاتیون سدیم تبدیل می‌شود. علامت مثبت، بار نهایی ذره را نشان میدهد و دستور اضافه کردن الکترون نیست. این اشتباه معمولاً از یکی گرفتن «مثبت شدن» با «اضافه شدن» می‌آید.
وقتی اتم سدیم الکترون از دست میدهد، بارش تغییر می‌کند، اما تعداد پروتون‌هایش ثابت می‌ماند و همچنان سدیم است. تعداد اتم‌ها نیز با تغییر بار بیشتر نمی‌شود. برای مثال، نماد کاتیون کلسیم، Ca2+، یک یون کلسیم با دو بار بنیادی مثبت را نشان میدهد، نه دو اتم کلسیم. پس تغییر بار را با تغییر عنصر یا تعداد اتم‌ها یکی ندانید. هنگام خواندن نماد، به جای عددها و علامت‌ها دقت کنید.
برداشت غلط
اتم برای کاتیون شدن باید الکترون بگیرد.واقعیتاتم خنثی با از دست دادن الکترون کاتیون می‌شود.
چون علامت مثبت را به معنی اضافه شدن ذره می‌گیریم و توجه نمی‌کنیم که جدا شدن الکترونِ منفی، بار خالص را مثبت می‌کند.
برداشت غلط
همهٔ کاتیون‌ها یون فلز هستند.واقعیتکاتیون‌هایی مانند آمونیوم، NH۴+، فقط از اتم‌های نافلز ساخته شده‌اند.
چون نخستین مثال‌هایی که می‌بینیم بیشتر کاتیون‌های فلزی‌اند، ممکن است تصور کنیم همهٔ کاتیون‌ها یون فلز هستند.
برداشت غلط
اتم با کاتیون شدن به عنصر دیگری تبدیل می‌شود.واقعیتجدا شدن الکترون، تعداد پروتونها و هویت عنصر را تغییر نمی‌دهد.
تغییر بار ذره با تغییر عدد اتمی اشتباه گرفته می‌شود.
برداشت غلط
نماد Ca۲+ یعنی دو اتم کلسیم.واقعیتCa۲+ یک یون کلسیم با دو بار بنیادی مثبت است.
چون هم بالانویس بار و هم زیروند تعداد اتم‌ها کنار نماد عنصر نوشته می‌شوند، ممکن است آن‌ها را اشتباه بگیریم.
برداشت غلط
نمک جامد از مولکول‌های خنثی ساخته شده و فقط در آب کاتیون پیدا می‌کند.واقعیتبلور NaCl از ابتدا کاتیون سدیم و آنیون کلرید دارد؛ آب یون‌ها را از شبکهٔ بلوری جدا می‌کند.
چون فرمول ترکیب یونی را مانند فرمول یک مولکول مستقل می‌خوانیم، تصور می‌کنیم نمک جامد از مولکول ساخته شده است.
برداشت غلط
در هر ترکیب یونی، تعداد کاتیون‌ها و آنیون‌ها باید برابر باشد.واقعیتمجموع بارهای مثبت و منفی باید صفر باشد، اما تعداد یون‌ها الزاماً برابر نیست؛ در CaCl۲ نسبت کاتیون به آنیون ۱:۲ است.
چون از برابر بودن مجموع بارهای مثبت و منفی، به‌اشتباه نتیجه می‌گیریم که تعداد یون‌های مثبت و منفی هم برابر است.
۱۰رد جریان
بار الکتریکی را یون‌ها جابه‌جا می‌کنند یا الکترونها؟
در محلول الکترولیت، یون‌های متحرک بار را جابه‌جا می‌کنند؛ در سیم فلزی، الکترونها این کار را انجام می‌دهند. برای رسانایی یونی، یعنی عبور جریان با حرکت یون‌ها، وجود یون کافی نیست؛ یون‌ها باید بتوانند جابه‌جا شوند.
اندازه‌گیری رسانایی محلول نشان میدهد ذره‌های باردار متحرک در آن وجود دارند، اما به‌تنهایی کاتیون مشخصی را شناسایی نمی‌کند. بررسی آموزشی رسانایی باید با دستگاه باتری‌خور و زیر نظر دبیر انجام شود؛ محلول را به برق شهر متصل نکنید.
برای ادامه‌ی یادگیری، پیوند یونی را بررسی کنید؛ یعنی جاذبه‌ی الکتریکی میان کاتیون‌ها و آنیون‌ها. این جاذبه چگونه یون‌های مثبت و منفی را در بلور نمک کنار هم نگه می‌دارد؟
مقایسهٔ رسانایی آب، آب‌نمک و آب‌شکر
پرسشچرا حل شدن نمک و حل شدن شکر، اثر یکسانی بر رسانایی آب ندارند؟
وسایل و مواد
- آب مقطر یا یون‌زدایی‌شده
- نمک طعام
- شکر
- لیوان یا بشر تمیز
- رسانایی‌سنج آموزشی آماده و باتری‌خور
- عینک ایمنی
مراحل
- ۱
با آب مقطر، نمونه‌های جداگانهٔ آب خالص، محلول نمک و محلول شکر تهیه کنید.
- ۲
رسانایی نمونهٔ آب را با دستگاه اندازه بگیرید.
- ۳
پروب را پیش از اندازه‌گیری هر نمونه با آب مقطر بشویید و رسانایی محلول نمک و محلول شکر را مقایسه کنید.
مشاهدهبا حل شدن نمک، رسانایی آب آشکارا افزایش می‌یابد، اما محلول شکر مانند آب‌نمک رسانا نمی‌شود. آب مقطر نیز ممکن است رسانایی اندکی داشته باشد.
نتیجهبا حل شدن نمک، کاتیون‌ها و آنیون‌ها می‌توانند در محلول حرکت کنند. این آزمایش وجود حامل‌های بار را نشان میدهد، اما نوع کاتیون را مشخص نمی‌کند.
ایمنیزیر نظر دبیر، با عینک ایمنی و رسانایی‌سنج آموزشی باتری‌خور انجام شود؛ از اتصال محلول به برق شهر یا ساخت مدار الکترولیز استفاده نشود.
منبع: سازمان پژوهش و برنامه‌ریزی آموزشی؛ نسخهٔ کامل کتاب رسمی در میزبان دانشچی، OpenStax, Rice University
پرسش و پاسخ
پرسش‌های متداول
کاتیون چیست و چرا به آن یون مثبت میگویند؟
کاتیون ذرهای تکاتمی یا چنداتمی است که مجموع بار الکتریکی آن مثبت است. در این ذره، مجموع بار مثبت پروتونها از بزرگی مجموع بار منفی الکترونها بیشتر است.
تفاوت کاتیون و آنیون چیست؟
کاتیون بار خالص مثبت دارد، اما بار خالص آنیون منفی است. این دسته‌بندی بر پایه‌ی علامت بار است و به‌تنهایی تعداد اتم‌های سازنده‌ی یون را مشخص نمی‌کند.
اتم برای تشکیل کاتیون الکترون می‌گیرد یا از دست میدهد؟
اتم خنثی با از دست دادن یک یا چند الکترون به کاتیون تبدیل می‌شود. در این فرایند، تعداد پروتونها ثابت می‌ماند؛ بنابراین هویت عنصر تغییر نمی‌کند.
کاتیون چنداتمی چیست و آیا همه‌ی کاتیون‌ها فلزی هستند؟
کاتیون چنداتمی از چند اتم متصل به هم تشکیل شده و در مجموع بار مثبت دارد. آمونیوم (NH4+) نمونه‌ای از آن است و فقط از اتم‌های نافلز ساخته شده است. پس همه‌ی کاتیون‌ها یون فلز نیستند.
عدد بالانویس در نماد کاتیون چه معنایی دارد؟
در نماد کاتیون کلسیم، Ca2+، بالانویس 2+ یعنی این یون دو بار بنیادی مثبت دارد. این نماد یک یون کلسیم را نشان میدهد، نه دو اتم کلسیم. بهطور کلی، عدد بالانویس همراه علامت مثبت نشان میدهد بار یون چند برابر بار مثبت یک پروتون است.
آیا کاتیون سدیم فقط پس از حل شدن نمک در آب تشکیل می‌شود؟
خیر؛ کاتیون سدیم پیش از انحلال نیز در بلور نمک طعام وجود دارد. هنگام حل شدن، یون‌های موجود از شبکه جدا می‌شوند و مولکول‌های آب پیرامون آن‌ها قرار می‌گیرند.
منابع
- IUPAC Gold Book: cation, C00907 — International Union of Pure and Applied Chemistry
- William Whewell to Faraday, 5 May 1834, Faraday0716 — Epsilon: The Michael Faraday Collection / Faraday Project
- Michael Faraday: Experimental Researches in Electricity, Volume 1, Seventh Series, paragraphs 665–666 — Museu Faraday, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa
- The Nobel Prize in Chemistry: The development of modern chemistry — Nobel Prize
- Chemistry 2e, 2.6: Ionic and Molecular Compounds — OpenStax, Rice University
- Chemistry: Atoms First 2e, 4.1: Ionic Bonding — OpenStax, Rice University
- Chemistry 2e, 6.5: Periodic Variations in Element Properties — OpenStax, Rice University
- Chemistry 2e, 14.1: Brønsted-Lowry Acids and Bases — OpenStax, Rice University
- Chemistry 2e, 11.2: Electrolytes — OpenStax, Rice University
- Chemistry 2e, 2.7: Chemical Nomenclature — OpenStax, Rice University
- Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2019 — The Royal Swedish Academy of Sciences / Nobel Prize
- Hardness of Water — U.S. Geological Survey
- Cation Exchange Water Softeners — U.S. Environmental Protection Agency
- Biology 2e, 5.3: Active Transport — OpenStax, Rice University
- 0.9% Sodium Chloride Injection, USP — Prescribing Information — DailyMed, U.S. National Library of Medicine؛ برچسب فرآوردهٔ B. Braun Medical
دیدگاه‌ها
هنوز دیدگاهی ثبت نشده است؛ اولین نفری باشید که نظر میدهد.
ثبت دیدگاه
برای ارسال دیدگاه با شماره موبایل وارد شوید یا ثبتنام کنید.
ثبت دیدگاه
ثبت دیدگاه
برای ارسال دیدگاه با شماره موبایل وارد شوید یا ثبتنام کنید.
ثبت دیدگاه
برای ارسال دیدگاه با شماره موبایل وارد شوید یا ثبتنام کنید.