Vad är en jon? Katjoner, anjoner och jonbindning

En jon är en atom eller molekyl som har en elektrisk nettoladdning. Laddningen uppstår när antalet elektroner inte är lika stort som antalet protoner.

En atom som förlorar elektroner blir positivt laddad och kallas katjon. En atom eller molekyl som tar upp extra elektroner blir negativt laddad och kallas anjon.

Vad är skillnaden mellan en atom och en jon?

En neutral atom har lika många protoner som elektroner. Protonerna är positivt laddade och elektronerna negativt laddade, så laddningarna tar ut varandra.

Om elektroner försvinner eller tillkommer ändras nettoladdningen, men grundämnets identitet gör det inte. Natrium har exempelvis alltid 11 protoner. En neutral natriumatom har 11 elektroner, medan natriumjonen Na⁺ har 10.

Det är alltså antalet protoner som avgör vilket grundämne det är. Jonladdningen bestäms av skillnaden mellan protoner och elektroner.

Vad är en katjon?

En katjon är positivt laddad. Den bildas när en partikel har färre elektroner än protoner.

Vanliga exempel är:

• Na⁺ – natriumjon,
• K⁺ – kaliumjon,
• Mg²⁺ – magnesiumjon,
• Ca²⁺ – kalciumjon.

Metaller i grupp 1 bildar ofta joner med laddningen +1 och metaller i grupp 2 ofta +2. Det är en användbar huvudregel, även om övergångsmetaller och flera andra grundämnen kan förekomma i mer än ett oxidationstillstånd.

Vad är en anjon?

En anjon är negativt laddad och har fler elektroner än protoner.

Exempel är:

• Cl⁻ – kloridjon,
• F⁻ – fluoridjon,
• O²⁻ – oxidjon,
• S²⁻ – sulfidjon.

Halogener i grupp 17 bildar ofta joner med laddningen −1, medan grundämnen i grupp 16 ofta kan bilda −2-joner i enkla jonföreningar.

Kan en hel molekyl vara en jon?

Ja. En jon behöver inte bestå av en enda atom. En grupp kovalent bundna atomer kan tillsammans ha en nettoladdning och kallas då en polyatomär jon.

Vanliga exempel är:

• NH₄⁺ – ammoniumjon,
• OH⁻ – hydroxidjon,
• NO₃⁻ – nitratjon,
• SO₄²⁻ – sulfatjon,
• CO₃²⁻ – karbonatjon.

I sådana joner är atomerna bundna till varandra, men hela gruppen har en sammanlagd laddning.

Vad är jonbindning?

Jonbindning är den elektrostatiska attraktionen mellan motsatt laddade joner. I ett fast salt ligger jonerna normalt inte som enstaka ”molekylpar”, utan bildar ett tredimensionellt kristallgitter.

I natriumklorid finns exempelvis Na⁺- och Cl⁻-joner ordnade i ett regelbundet gitter. Formeln NaCl anger det enklaste heltalsförhållandet mellan jonerna, inte en isolerad NaCl-molekyl i kristallen.

Varför måste jonföreningar vara elektriskt neutrala?

En makroskopisk jonförening har normalt ingen nettoladdning. Därför måste positiva och negativa laddningar balansera varandra.

Magnesiumklorid skrivs MgCl₂. En Mg²⁺-jon behöver två Cl⁻-joner för att laddningssumman ska bli noll:

+2 + 2 × (−1) = 0

På samma sätt blir aluminiumoxid Al₂O₃, eftersom två Al³⁺ ger +6 och tre O²⁻ ger −6.

Vad händer när ett salt löses i vatten?

Många jonföreningar kan lösas i vatten. Då separeras jonerna från kristallgittret och omges av vattenmolekyler. Processen kallas hydratisering.

En lösning med rörliga joner kan leda elektrisk ström. Det är en viktig skillnad mot ett fast salt, där jonerna sitter låsta i kristallgittret.

Alla salter är dock inte lättlösliga. Lösligheten beror på samspelet mellan kristallens bindningar och jonernas växelverkan med lösningsmedlet.

Jonisering och dissociation är inte samma sak

När en jonförening som natriumklorid löses i vatten separeras joner som redan fanns i kristallen. Det kallas ofta dissociation: NaCl(s) ger Na⁺(aq) och Cl⁻(aq).

Jonisering används i stället när neutrala partiklar bildar joner. När väteklorid löses i vatten överförs exempelvis en proton till en vattenmolekyl och joner bildas. Skillnaden är användbar eftersom inte alla elektrolyter består av joner redan före lösningen.

Elektronöverföring och redox

Jonbildning kan kopplas till oxidation och reduktion. När en neutral natriumatom blir Na⁺ har den avgett en elektron och oxiderats. När en neutral kloratom blir Cl⁻ har den tagit upp en elektron och reducerats.

I verkliga kemiska reaktioner behöver man samtidigt skilja mellan verklig laddning och oxidationstal. Oxidationstal är en formell bokföringsmodell för elektroner och är inte alltid samma sak som en atoms faktiska partiella laddning i en bindning.

Joner kan finnas i gas, vätska och fasta ämnen

Joner förknippas ofta med saltvatten, men laddade partiklar förekommer i många miljöer. I fasta salter sitter de i kristallgitter. I lösningar kan de röra sig mellan lösningsmedlets molekyler. I plasma och gasfas kan atomer och molekyler joniseras genom exempelvis hög temperatur, strålning eller elektriska urladdningar.

Det är alltså laddningen – inte vilket aggregationstillstånd partikeln befinner sig i – som avgör om den är en jon.

Joner i kroppen

Joner är centrala i biologiska system. Na⁺, K⁺, Ca²⁺ och Cl⁻ deltar bland annat i nervsignaler, muskelfunktion, vätskebalans och membrantransport.

I biologiskt sammanhang används ofta ordet elektrolyt för ämnen som ger upphov till rörliga joner i lösning.

Vanliga frågor

Är en jon alltid en laddad atom?

Nej. En jon kan vara en enskild atom eller en grupp bundna atomer med nettoladdning.

Förlorar atomkärnan protoner när en positiv jon bildas?

Nej. Vanlig jonbildning handlar om elektroner. Om protonantalet ändras blir det ett annat grundämne och då handlar det om en kärnprocess, inte vanlig kemi.

Är NaCl en molekyl?

I fast natriumklorid är det mer korrekt att tala om ett joniskt kristallgitter. Formeln NaCl beskriver förhållandet 1:1 mellan natrium- och kloridjoner.

Varför leder saltvatten ström?

För att jonerna är rörliga i lösningen och kan transportera elektrisk laddning.