کاتیون: یونی با بار الکتریکی مثبت
کاتیون چیست؟ از اتم خنثی تا یون مثبت
همه مواد از اتمها ساخته شدهاند. هر اتم یک هسته با بار مثبت (شامل پروتون و نوترون) و الکترونهایی با بار منفی دارد که به دور آن میچرخند. در حالت عادی، تعداد پروتونها (بار مثبت) و الکترونها (بار منفی) برابر است، بنابراین اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است. اما وقتی یک اتم در یک واکنش شیمیایی یا دریافت انرژی، یک یا چند الکترون از لایه آخر خود از دست بدهد، تعداد پروتونهایش از الکترونها بیشتر میشود. در این حالت، اتم دیگر خنثی نیست؛ به یک یون تبدیل شده است و چون بار کلی آن مثبت است، به آن کاتیون میگوییم.
مثال کلاسیک، اتم سدیم[5] است. اتم سدیم دارای 11 پروتون و 11 الکترون است. اگر یک الکترون از لایه آخر خود از دست بدهد، به یونی با 11 پروتون و 10 الکترون تبدیل میشود. بار خالص آن برابر است با +11 + (-10) = +1. بنابراین این یون را کاتیون سدیم با فرمول $Na^{+}$ مینامند.
نامگذاری و انواع کاتیونها
کاتیونها را معمولاً به دو دسته اصلی تقسیم میکنند: کاتیونهای تکاتمی (از یک نوع اتم) و کاتیونهای چنداتمی[6] (گروهی از اتمها که با هم پیوند دارند و بار مثبت دارند). نامگذاری آنها ساده است: برای فلزاتی که فقط یک حالت عدد اکسایش[7] دارند (مثل سدیم، پتاسیم[8]، کلسیم[9])، فقط نام فلز را به اضافه کلمه «یون» یا به سادگی با ذکر بار مثبت میآوریم. برای فلزاتی با چند حالت اکسایش (مثل آهن[10]) از اعداد رومی استفاده میکنیم.
| نام کاتیون | نماد شیمیایی (فرمول) | بار | منشأ (اتم فلزی) | نقش/مثال |
|---|---|---|---|---|
| سدیم | $ Na^{+} $ | +1 | سدیم (Na) | انتقال پیام در سلولهای عصبی، تنظیم فشار خون |
| کلسیم | $ Ca^{2+} $ | +2 | کلسیم (Ca) | ساخت استخوان و دندان، انقباض ماهیچهها |
| آهن (II)* | $ Fe^{2+} $ | +2 | آهن (Fe) | جزء اصلی هموگلوبین خون برای انتقال اکسیژن |
| آمونیوم[11] | $ NH_{4}^{+} $ | +1 | نیتروژن و هیدروژن (غیرفلز) | کودهای شیمیایی، پاککنندهها |
| هیدرونیوم[12] | $ H_{3}O^{+} $ | +1 | هیدروژن و اکسیژن | مسئول خاصیت اسیدی در آب |
* عدد II به معنی عدد اکسایش +2 است.
کاتیون در برابر آنیون: جاذبهای که دنیا را میسازد
کاتیونها به تنهایی پایدار نمیمانند. آنها همواره به دنبال ذراتی با بار مخالف، یعنی آنیونها (یونهای با بار منفی) هستند. این جاذبه قوی الکترواستاتیک بین کاتیون و آنیون، پیوند یونی نام دارد و باعث تشکیل ترکیبات یونی میشود. مثال ساده، نمک طعام یا کلرید سدیم ($ NaCl $) است که از جاذبه بین کاتیون سدیم ($ Na^{+} $) و آنیون کلرید ($ Cl^{-} $) به وجود میآید.
وقتی یک ترکیب یونی (مانند $ NaCl $) در آب حل میشود، پیوندهای یونی تا حدی میشکنند و کاتیونها و آنیونها آزادانه در آب حرکت میکنند. به این محلول که حاوی یونهای آزاد است، الکترولیت میگویند. وجود این یونهای آزاد باعث میشود محلول بتواند جریان الکتریکی را از خود عبور دهد (رسانایی الکتریکی).
کاتیونها در خدمت زندگی: از بدن انسان تا فناوری
کاتیونها فقط در کتابهای شیمی نیستند؛ آنها در قلب بسیاری از فرآیندهای حیاتی و فناوریهای روزمره حضور دارند.
در بدن موجودات زنده: عملکرد سیستم عصبی ما به حرکت سریع کاتیونهای سدیم ($ Na^{+} $) و پتاسیم ($ K^{+} $) در غشای سلولهای عصبی وابسته است. کاتیون کلسیم ($ Ca^{2+} $) برای انقباض ماهیچهها (از جمله قلب) و استحکام استخوانها ضروری است. به همین دلیل است که ورزشکاران پس از تعرق زیاد، نوشیدنیهای حاوی الکترولیت (شامل این کاتیونها) مصرف میکنند.
در باتریها: اساس کار باتریهای لیتیوم-یونی[13] که در تلفن همراه و لپتاپ استفاده میشود، بر حرکت کاتیون لیتیوم ($ Li^{+} $) بین دو قطب باتری استوار است. هنگام دشارژ، کاتیونهای لیتیوم از قطب منفی به سمت قطب مثبت حرکت میکنند و این حرکت، جریان الکتریکی تولید میکند که دستگاه ما را روشن نگه میدارد.
در تصفیه آب (سختیگیر): آب سخت حاوی مقادیر زیادی کاتیونهای کلسیم ($ Ca^{2+} $) و منیزیم[14] ($ Mg^{2+} $) است. دستگاههای سختیگیر از رزینهای مخصوصی استفاده میکنند که این کاتیونهای مزاحم را جذب و با کاتیونهای سدیم ($ Na^{+} $) جایگزین میکنند تا از تشکیل رسوب در لولهها و وسایل گرمایشی جلوگیری شود.
پرسشهای متداول و تصورات نادرست
پاسخ: خیر. اگرچه بیشتر کاتیونهای ساده از فلزات به دست میآیند، اما برخی کاتیونهای چنداتمی مهم مانند آمونیوم ($ NH_{4}^{+} $) و هیدرونیوم ($ H_{3}O^{+} $) از اتمهای غیرفلزی تشکیل شدهاند. در این موارد، کل گروه اتمها یک یا چند الکترون از دست دادهاند و به عنوان یک واحد بار مثبت دارند.
پاسخ: وقتی یک اتم الکترون از دست میدهد و به کاتیون تبدیل میشود، نه تنها یک بار منفی را از دست میدهد، بلکه معمولاً یک لایه الکترونی کامل (خارجی) را نیز خالی میکند. علاوه بر این، با کاهش تعداد الکترونها، نیروی جاذبه هسته بر الکترونهای باقیمانده افزایش مییابد و آنها را به هسته نزدیکتر میکند. هر دوی این عوامل باعث کاهش اندازه کاتیون نسبت به اتم خنثی میشوند.
پاسخ: بله، برخی فلزات واسطه میتوانند چندین الکترون از دست بدهند و کاتیونهایی با بار مثبت بالا تشکیل دهند. برای مثال، آلومینیوم[15] کاتیون $ Al^{3+} $ و قلع[16] میتواند کاتیون $ Sn^{4+} $ تشکیل دهد. البته از دست دادن الکترونهای بیشتر نیاز به انرژی بیشتری دارد و در شرایط معمول کمتر رخ میدهد.
پاورقی و واژهنامه
[1]کاتیون (Cation): یون با بار الکتریکی مثبت.
[2]یونش (Ionization): فرآیند تشکیل یون از یک اتم یا مولکول خنثی.
[3]آنیون (Anion): یون با بار الکتریکی منفی.
[4]الکترولیت (Electrolyte): مادهای که در محلول آبی به یون تفکیک میشود و رسانای جریان برق است.
[5]سدیم (Sodium): یک فلز قلیایی با نماد شیمیایی Na.
[6]چنداتمی (Polyatomic): متشکل از چند اتم.
[7]عدد اکسایش (Oxidation Number): بار فرضی که یک اتم در یک ترکیب دارد.
[8]پتاسیم (Potassium): یک فلز قلیایی با نماد شیمیایی K.
[9]کلسیم (Calcium): یک فلز قلیایی خاکی با نماد شیمیایی Ca.
[10]آهن (Iron): یک فلز واسطه با نماد شیمیایی Fe.
[11]آمونیوم (Ammonium): یک کاتیون چنداتمی با فرمول $ NH_{4}^{+} $.
[12]هیدرونیوم (Hydronium): یک کاتیون چنداتمی با فرمول $ H_{3}O^{+} $ که در اسیدهای آبی وجود دارد.
[13]باتری لیتیوم-یونی (Lithium-ion Battery): نوعی باتری قابل شارژ که در آن از حرکت یون لیتیوم استفاده میشود.
[14]منیزیم (Magnesium): یک فلز قلیایی خاکی با نماد شیمیایی Mg.
[15]آلومینیوم (Aluminium): یک فلز با نماد شیمیایی Al.
[16]قلع (Tin): یک فلز با نماد شیمیایی Sn.
