کاتیون و آنیون چیست و چرا مهم هستند؟
کاتیون و آنیون: همه چیز درباره یون‌های مثبت و منفی
در شیمی، اتم‌ها و مولکول‌ها ممکن است با گرفتن یا از دست دادن الکترون به یون تبدیل شوند. یون‌ها به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند:
- کاتیون‌ها که بار مثبت دارند.
- آنیون‌ها که دارای بار منفی هستند.
شما با مفهوم کاتیون و آنیون در کتاب علوم نهم آشنا شدید اگر هم چیزی مثل خیلی از مباحث مدرسه چیزی یادتان نمیاد اصلا نگران نباشید چون ما امروز در این مطلب از پیلار مگ قصد داریم به بررسی کاتیون ها و آنیون ها بپردازیم و به این سوال که کاتیون چه فرقی با انیون دارد؟ پاسخ دهیم. پس با ما تا پایان این مطلب همراه باشید.
کاتیون چیست؟
وقتی تعداد پروتون‌ها از الکترون‌ها بیشتر باشد، یون حاصل بار مثبت پیدا می‌کند که به آن کاتیون(cation) گفته می‌شود. به بیان دیگر، تشکیل کاتیون زمانی رخ می‌دهد که اتم یک یا چند الکترون خود را از دست بدهد. این الکترون‌های جدا شده معمولاً توسط اتم‌هایی با الکترون‌خواهی (Electron Affinity) بالاتر جذب می‌شوند.
اگر بخواهم ساده تر بگم، وقتی یک اتم الکترون از دست بده، تعداد پروتون‌هاش بیشتر از الکترون‌ها می‌شود در نتیجه چون پروتون‌ها بار مثبت دارند، اتم هم به شکل یون مثبت در میاد. به این یون مثبت کاتیون می‌گویند. مثلا گر اتم منگنز(Mg) یک یا چند الکترون از دست بده، به کاتیون منگنز(MG⁺) تبدیل می‌شود.
کاتیون مثبت است یا منفی؟
کاتیون یون مثبت است که وقتی یک یا چند الکترون از دست می‌دهد تشکیل می‌شود و بار الکتریکی آن مثبت می‌شود.
کاتیون فلز است یا نا فلز؟
کاتیون معمولاً فلز است، زیرا فلزات تمایل دارند الکترون از دست بدهند و به یون مثبت تبدیل شوند.
کاربردهای کاتیون
در ادامه سه تا ازمهمترین کاربردهای کاتیون را با هم بررسی می‌کنیم.
1. کاتیون‌ها در بدن انسان
کاتیون‌ها نقش حیاتی در فعالیت‌های زیستی بدن دارند. برای مثال، یون‌های سدیم (Na⁺) و پتاسیم (K⁺) برای انتقال پیام‌های عصبی و انقباض ماهیچه‌ها ضروری هستند. همین کاتیون‌ها تعادل آب و الکترولیت بدن را تنظیم می‌کنند و نبود آن‌ها می‌تواند باعث مشکلاتی مثل گرفتگی عضلات یا اختلال در عملکرد قلب شود.
2. کاتیون‌ها در صنایع شیمیایی
در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی، کاتیون‌ها نقش کاتالیزور یا ماده واسطه را دارند. برای نمونه، یون‌های آهن (Fe²⁺ و Fe³⁺) در تولید فولاد و همچنین در واکنش‌های شیمیایی صنعتی اهمیت زیادی دارند. کاتیون‌ها همچنین در تصفیه آب برای حذف ناخالصی‌ها و کنترل pH مورد استفاده قرار می‌گیرند.
3. کاتیون‌ها در کشاورزی
خاک برای رشد گیاهان نیاز به کاتیون‌هایی مثل کلسیم(Ca²⁺)، پتاسیم(K⁺) و منیزیم(Mg²⁺) دارد. این کاتیون‌ها عناصر غذایی اصلی گیاهان هستند و کمبود آن‌ها می‌تواند باعث کاهش رشد یا زرد شدن برگ‌ها شود. کودهای شیمیایی اغلب به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که این کاتیون‌ها را به خاک اضافه کنند و حاصلخیزی آن را افزایش دهند.
خطرات و مضرات کاتیون ها
کاتیون‌ها با وجود نقش‌های مهمی که در بدن و صنعت دارند، اگر بیش از حد یا در شرایط نامناسب وجود داشته باشند می‌توانند خطرناک باشند. برای مثال، افزایش بیش از اندازه کاتیون‌هایی مانند سدیم (Na⁺) در بدن باعث فشار خون بالا و مشکلات قلبی می‌شود. همین‌طور تجمع کاتیون‌های سنگین مثل سرب (Pb²⁺) یا کادمیم (Cd²⁺) می‌تواند باعث مسمومیت، آسیب به کلیه و اختلال در سیستم عصبی شود.
حتی در محیط زیست هم ورود مقادیر زیاد این کاتیون‌ها به آب و خاک، تعادل زیستی را بر هم می‌زند و برای گیاهان و موجودات زنده مضر است.
آنیون چیست؟
آنیون(anion) اتم یا مولکولی است که تعداد الکترون‌های آن بیش از پروتون‌هاست و به همین دلیل دارای بار منفی می‌شود. تشکیل آنیون زمانی رخ می‌دهد که اتم یک یا چند الکترون جذب کند. این الکترون‌ها معمولاً از اتم‌هایی با الکترون‌خواهی کمتر گرفته می‌شوند. همانند کاتیون‌ها، در نوشتار شیمیایی نیز تعداد الکترون‌های جذب‌شده و بار منفی یون پس از نماد شیمیایی عنصر ذکر می‌گردد.
اگر بخواهم کمی ساده تر بگیم، میتوانیم بگیم، وقتی یک اتم الکترون اضافه بگیره، تعداد الکترون‌هاش از پروتون‌ها بیشتر می‌شود در نتیجه چون الکترون بار منفی داره، اتم هم تبدیل می‌شه به یون منفی یا همون آنیون… یه عنوان نمونه اتم کلر(Cl) یک الکترون می‌گیره و به Cl⁻ تبدیل می‌شود.
آنیون مثبت است یا منفی؟
آنیون منفی است؛ یعنی وقتی یک یا چند الکترون به اتم یا مولکول اضافه شود، بار منفی پیدا می‌کند.
آنیون فلز است یا نا فلز؟
آنیون معمولاً نافلز است، زیرا نافلزات تمایل دارند الکترون بگیرند و به یون منفی تبدیل شوند.
کاربردهای آنیون
در ادامه سه تا ازمهمترین کاربردهای آنیون را با هم بررسی می‌کنیم.
1. آنیون‌ها در بدن انسان
آنیون‌ها نقش مهمی در عملکردهای زیستی دارند. برای مثال، یون کلر(Cl⁻) به تعادل مایعات بدن و انتقال پیام‌های عصبی کمک می‌کند و یون‌های فسفات(PO₄³⁻) در ساختار استخوان‌ها و تولید انرژی سلولی نقش دارند.
2. آنیون‌ها در صنایع شیمیایی
بسیاری از واکنش‌های شیمیایی صنعتی به کمک آنیون‌ها انجام می‌شوند. برای نمونه، یون سولفات(SO₄²⁻) در تولید کودهای شیمیایی و مواد شوینده کاربرد دارد و یون نیترات(NO₃⁻) در تولید باروت و کودهای نیتروژنی نقش مهمی دارد.
3. آنیون‌ها در تصفیه آب و محیط زیست
آنیون‌ها در تصفیه آب برای حذف ناخالصی‌ها و تنظیم pH استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، یون‌های هیدروکسید(OH⁻) و بی‌کربنات(HCO₃⁻) می‌توانند اسیدیته آب را کنترل کرده و کیفیت آب آشامیدنی و کشاورزی را بهبود ببخشند.
خطرات و مضرات انیون ها
با اینکه آنیون‌ها در بدن و صنایع نقش مفیدی دارند، اما در صورت وجود بیش از حد یا ورود به محیط‌های نامناسب می‌توانند خطرناک باشند. برای مثال، افزایش بیش از اندازه کلرید(Cl⁻) در بدن ممکن است باعث عدم تعادل الکترولیتی و مشکلات قلبی و کلیوی شود. برخی آنیون‌های صنعتی مانند کرومات(CrO₄²⁻) یا آرسنات(AsO₄³⁻) بسیار سمی هستند و می‌توانند به کلیه، کبد و سیستم عصبی آسیب برسانند.
کاتیون و آنیون چه تفاوتی با هم دارند؟
بیایید یکبار دیگه مطالب به زبان ساده مرور کنیم، اتم‌های فلزی، الکترون‌های خود را نسبتاً ضعیف در اطراف هسته نگه می‌دارند، بنابراین تمایل دارند این الکترون‌ها را از دست بدهند و به کاتیون تبدیل شوند. برعکس، اغلب اتم‌های نافلزی الکترون‌ها را با قدرت بیشتری جذب می‌کنند و به همین دلیل تمایل به تشکیل آنیون دارند.
وقتی یک اتم فلزی و یک اتم نافلزی با هم ترکیب می‌شوند، اتم نافلزی یک یا چند الکترون از اتم فلزی جذب می‌کند و در نتیجه یون‌های مثبت و منفی ایجاد می‌شوند. این یون‌ها با هم جذب می‌شوند و پیوند یونی تشکیل می‌دهند که ترکیبات حاصل، در مجموع، بار الکتریکی خنثی دارند. به عنوان نمونه میتوانیم به کلسیم کلرید اشاره کنیم. در ادامه یک جدول برای شما آماده کردیم.
| ویژگی | کاتیون | آنیون |
|---|---|---|
| بار الکتریکی | مثبت | منفی |
| نحوه تشکیل | از دست دادن الکترون | گرفتن الکترون |
| نوع اتم | اتم فلزی | اتم نافلزی |
| نماد و مثال | Fe²⁺، Na⁺ | Cl⁻، SO₄²⁻ |
| الکترود متصل شده در محلول | کاتد(منفی) | آند(مثبت) |
کاتد چیست؟
یک سوالی که الان شاید ذهن شما رو درگیر کرده باشه این هست که کاتد چیست؟ کاتد که اسمش تو جدول بالا هم مشاهده کردید در واقع الکترودی است که الکترون می‌گیرد یا به آن جریان الکترون وارد می‌شود. به عبارت دیگر، جایی است که کاتیون‌ها (یون‌های مثبت) به سمت آن حرکت کرده و الکترون جذب می‌کنند تا واکنش شیمیایی انجام شود.
به عنوان نمونه در در باتری یا سلول الکتروشیمیایی، کاتد جایی است که کاهش اتفاق می‌افتد، یعنی یون مثبت الکترون می‌گیرد و به حالت پایدار می‌رسد.
کاتد منفی است یا مثبت؟
کاتد مثبت در باتری‌ها و منفی در الکترولیز است؛ بستگی به نوع سلول و شرایط دارد.
آند چیست؟
خب حالا نوبتی هم باشه نوبت بررسی آند هست. آند در واقع الکترودی است که الکترون از آن خارج می‌شود یا به عبارت دیگر، جایی است که اکسیداسیون اتفاق می‌افتد. در این نقطه، یون‌های منفی یا اتم‌ها الکترون از دست می‌دهند و به یون یا اتم دیگر تبدیل می‌شوند. به عنوان نمونه در همون در باتری یا سلول الکتروشیمیایی، آند جایی است که کاتیون‌ها یا آنیون‌ها الکترون از دست می‌دهند و واکنش اکسیداسیون رخ می‌دهد.
آند منفی است یا مثبت؟
آند مثبت در باتری‌ها و منفی در الکترولیز است؛ بستگی به نوع سلول و شرایط دارد
امیدوارم در ادامه جدولی که آماده کردیم به شما کمک کند.
| ویژگی | آند | کاتد |
|---|---|---|
| تعریف | الکترودی که الکترون از آن خارج می‌شود و واکنش اکسیداسیون رخ می‌دهد | الکترودی که الکترون می‌گیرد و واکنش کاهش رخ می‌دهد |
| نوع واکنش | اکسیداسیون | کاهش |
| حرکت یون‌ها | کاتیون‌ها یا آنیون‌ها به سمت آن حرکت می‌کنند تا الکترون از دست بدهند | کاتیون‌ها به سمت آن حرکت می‌کنند تا الکترون بگیرند |
| بار الکتریکی | معمولاً منفی در الکترولیز و مثبت در باتری | معمولاً مثبت در الکترولیز و منفی در باتری |
| مثال | Zn در سلول ولتایی | Cu در سلول ولتایی |
کاتیون و آنیون در جدول تناوبی
با توجه به جایگاه اتم‌ها در جدول تناوبی، میتوانیم پیش‌بینی کنیم که آیا یک عنصر تمایل به تشکیل کاتیون دارد یا آنیون؟ به طور مثال، هالوژن‌ها همیشه آنیون تشکیل می‌دهند، در حالی که فلزات قلیایی و قلیایی خاکی معمولاً به صورت کاتیون ظاهر می‌شوند. بیشتر فلزات مانند آهن، نقره و نیکل کاتیون تولید می‌کنند، در حالی که نافلزات مانند اکسیژن، کربن و گوگرد معمولاً آنیون تشکیل می‌دهند.
با این حال، برخی عناصر بسته به شرایط می‌توانند هم آنیون و هم کاتیون تشکیل دهند. برای نمونه، هیدروژن ممکن است به شکل H⁺ یا H⁻ وجود داشته باشد. عناصر گروه ۱۸ جدول تناوبی، معروف به گازهای نجیب، به دلیل پایداری آرایش الکترونی خود تمایلی به تشکیل یون ندارند و در نتیجه بسیار کم واکنش پذیر هستند.
مقایسه انیون و کاتیون در الکتروشیمی
خواص یونی اتم‌ها و مولکول‌ها کاربردهای متنوعی در شیمی دارند. یکی از این کاربردها، کروماتوگرافی تبادل یونی است که بر اساس جداسازی مولکول‌ها با کمک فاز ساکن عمل می‌کند. علاوه بر این، یون‌ها نقش کلیدی در الکتروشیمی و عملکرد باتری‌ها دارند. در واقع همان طور که گفتیم، باتری‌ها شامل دو الکترود رسانا به نام‌های کاتد و آند هستند. کاتد معمولاً بخش مثبت الکترود را تشکیل می‌دهد و با ورود الکترون‌ها، جریان الکتریکی تولید می‌شود. میان دو الکترود، الکترولیت به صورت مایع یا ژل قرار دارد که حاوی یون‌های باردار است و انتقال الکترون‌ها و یون‌ها را ممکن می‌سازد.
در باتری‌های قابل شارژ مانند باتری‌های لیتیوم-یونی، این واکنش شیمیایی به دلیل ساختار داخلی خاص، برگشت‌پذیر است و اجازه می‌دهد باتری دوباره شارژ شود. همچنین، به دلیل خواص یونی آب شور، دانشمندان در حال تحقیق هستند تا با ترکیب آب شور و شیرین و بهره‌گیری از اختلاف پتانسیل، منبعی پاک و سبز برای تولید برق ایجاد کنند.
کرماتوگرافی چیست؟
خب قبل از اینکه به مبحث بعدی برویم بد نیست به این سوال که کرماتوگرافی چیست؟ پاسخ بدهیم. کرماتوگرافی در واقع یک روش جداسازی است که بر اساس تفاوت در سرعت حرکت اجزای یک مخلوط در فاز ساکن و فاز متحرک عمل می‌کند. این تکنیک به دانشمندان و محققان اجازه می‌دهد تا ترکیبات پیچیده را به اجزای تشکیل‌دهنده‌شان تفکیک کرده و هر جزء را به‌صورت جداگانه مورد بررسی قرار دهند.
حالا شاید برایتان سوال پیش بیاد که کرماتوگرافی یونی چیست؟ کروماتوگرافی یونی روشی در شیمی است که برای جداسازی یون‌ها و مولکول‌های باردار استفاده می‌شود. در این روش، یک ماده به نام فاز ساکن (معمولاً رزین یا ژل خاص) داخل ستون قرار می‌گیرد و مخلوطی که باید جدا شود از روی آن عبور می‌کند.
تاریخچه آنیون و کاتیون
جالبه بدانید که اصطلاح یون برای اولین بار توسط فیزیکدان و شیمی‌دان انگلیسی، مایکل فارادی، در سال ۱۸۳۴ معرفی شد. او کشف کرد که بخش‌هایی از مولکول‌ها هنگام عبور جریان الکتریکی، از آند به کاتد یا بالعکس حرکت می‌کنند.
فارادی متوجه شد که برخی مواد هنگام حل شدن در آب می‌توانند جریان الکتریکی را هدایت کنند و عبور جریان از ترکیبات باعث تجزیه آن‌ها به عناصر اولیه می‌شود. او اصطلاح یون (از واژه یونانی به معنای سرگردان گرفته شده است) را برای توصیف گونه‌های شیمیایی عبوری از محلول به کار برد و همچنین اصطلاحات آنیون و کاتیون را برای یون‌های منفی و مثبت و آند و کاتد را برای الکترودهای مثبت و منفی معرفی کرد.
نتیجه گیری
امروز در پیلار مگ با هم یادگرفتیم که یون اتم یا مولکولی است که بار الکتریکی دارد، یعنی تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها با هم برابر نیستند و اگر تعداد پروتون‌ها بیشتر باشد، یون مثبت یا کاتیون شکل می‌گیرد و اگر تعداد الکترون‌ها بیشتر باشد، یون منفی یا آنیون شکل می‌گیرد. مثلاً
- Na⁺ → کاتیون (سدیم یک الکترون از دست داده)
- Cl⁻ → آنیون (کلر یک الکترون گرفته)
در ادامه گفتیم که اگر الکترود، جریان بگیرد و یا به سمت الکترون ها حرکت کند به آن کاتد میگیم ولی اگر عمل اکسیداسیون اتقاق بی افتد و الکترود الکترون از دست بدهد به آن آند میگوییم.
