Iones: Aniones y Cationes

Definición de iones, cationes y aniones

Empecemos por ver la definición de cationes y aniones.

Como ya se ha dicho, los iones son moléculas cargadas. La palabra "ion" fue introducida por primera vez por Michael Faraday en 1834 para describir una sustancia que observó en movimiento a través de una corriente.

El término "ion" procede de la palabra griega de la misma grafía, que significa "ir", mientras que los nombres "catión" y "anión" significan un elemento que se desplaza hacia abajo y hacia arriba respectivamente. Esto se debe a que, durante un proceso conocido como electrólisis, los cationes son atraídos por el cátodo cargado negativamente, mientras que los aniones son atraídos por el ánodo cargado positivamente.

Diferencias entre iones catión y anión

La diferencia entre cationes y aniones surge de su diferente carga.

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Figura 1: Ilustración de cationes y aniones que se forman a partir de un átomo neutro como resultado de perder y ganar electrones, respectivamente. Daniela Lin, Originales de StudySmarter

Debido a estas diferencias de carga, los cationes y los aniones se comportan de forma diferente en procesos como la electrólisis.

En química, escribimos cationes con el signo + y aniones con el signo -. El símbolo numérico escrito junto a las cargas indica cuántos electrones ha perdido o ganado el átomo, respectivamente.

Figura 2: Los metales pierden electrones, mientras que los no metales los ganan. Daniela Lin, StudySmarter Originals.

En el caso del ^Na+ y el ^Cl-, la reacción iónica hace que el Na+ pierda un electrón y el Cl- gane un electrón. La ilustración anterior se ampliará más adelante con los diagramas de puntos de Lewis, pero por ahora, es importante comprender la convención asociada a la forma en que escribimos los iones.

Radio del ión catión y del anión

Ahora que conocemos la definición de ión y las diferencias entre ellos, es hora de repasar los radios iónicos.

Recordemos que el radio atómico es la mitad de la distancia entre dos núcleos de átomos neutros. En cambio, el radio iónico describe la mitad de la distancia entre dos núcleos de átomos no neutros.

Los aniones tienen un radio iónico mayor que el radio atómico del mismo elemento. En comparación, los cationes tienen un radio iónico menor que el radio atómico del mismo elemento.

¿Te has confundido? ¡No pasa nada! La siguiente ilustración ofrece una representación visual de las diferencias de tamaño radial.

Figura 3: Radios de cationes y aniones comparados con los respectivos radios atómicos de sus elementos. Daniela Lin, Originales de StudySmarter.

Las diferencias de tamaño en los radios surgen porque, a medida que los átomos neutros ganan electrones y se convierten en aniones, más electrones ocupan los orbitales exteriores, lo que provoca un aumento de la repulsión de los electrones. Este aumento de la repulsión electrónica aleja a los electrones, lo que da lugar a un radio iónico mayor.

Lo contrario ocurre con los cationes, que resultan de la pérdida de electrones. Una menor repulsión de electrones da lugar a un radio iónico menor.

En otras palabras, los cationes tienen un radio iónico menor, mientras que los aniones tienen un radio iónico mayor en comparación con el radio atómico respectivo de su elemento.

Resina de intercambio iónico de cationes y aniones

Anteriormente en este artículo hemos mencionado que determinadas sustancias pueden actuar como medios para el intercambio iónico.

Una de estas sustancias es la resina. La resina es una sustancia muy viscosa, que suele fabricarse con plantas. Es insoluble y contiene microesferas lo bastante porosas como para atrapar iones específicos, según su carga, facilitando el proceso conocido como intercambio iónico.

Las resinas de intercambio catiónico están compuestas por grupos sulfonato cargados negativamente. Por su parte, las resinas de intercambio aniónico contienen superficies de aminas cargadas positivamente.

Figura 4: Ilustración del intercambio iónico. Daniela Lin, StudySmarter Originals

El proceso de ablandamiento del agua, mediante el intercambio iónico, se muestra arriba. Este intercambio catiónico concreto consiste en intercambiar magnesio y calcio por iones de sodio. Hay muchos otros tipos de intercambio iónico y también muchas otras aplicaciones de la cromatografía de intercambio iónico en química orgánica y bioquímica. No las trataremos aquí en detalle, pero todas estas técnicas de química avanzada se basan en la sencilla aplicación del intercambio iónico descrita anteriormente.

Ejemplos de iones cationes y aniones

Antes de estudiar la formación de compuestos iónicos, debemos comprender qué elementos de la tabla periódica pueden formar cationes o aniones.

• Los gases nobles son estables porque tienen todos los electrones de valencia, por lo que no tienden a formar iones.

• Los metales tienden a crear cationes, mientras que los no metales tienden a crear aniones.

• Los elementos del lado izquierdo de la tabla periódica tienden a formar cationes, en comparación con el lado derecho de la tabla periódica, que tiende a crear aniones.

Figura 5: Ilustración de la tabla periódica con las cargas iónicas mostradas. Daniela Lin, Originales de StudySmarter.

La imagen anterior muestra que

• Formación de cationes (+): Los grupos 1, 2, 13 y 14 tienden a formar cationes al perder electrones.

• Formación de aniones (-): Los grupos 15, 16 y 17 tienden a formar aniones ganando electrones.

Ahora que hemos aprendido qué elementos tienden a crear cationes y cuáles tienden a crear aniones. El siguiente paso es ver cómo se forman los compuestos iónicos. Para ello, utilizaremos los Diagramas de Lewis.

Las ilustraciones simplificadas de los electrones de valencia de una molécula se conocen como diagramas de puntos de Lewis. También podemos utilizar los diagramas de puntos de Lewis para mostrar la transferencia de electrones en los compuestos iónicos, que es precisamente lo que vamos a hacer ahora.

Utilizaremos los mismos iones que se muestran en nuestro gráfico de escritura de iones anterior.

Figura 6: Ejemplos de transferencia de iones mostrados en una reacción de compuestos iónicos en la que se producen cloruro de sodio y óxido de magnesio. Daniela Lin, StudySmarter Originals

Ahora que hemos visto algunos ejemplos de cationes y aniones en una reacción de compuestos iónicos. Deberíamos sentirnos cómodos identificando iones, cationes y aniones. También deberíamos ser capaces de comprender qué iones ganarán o perderán electrones. Por último, deberíamos comprender las tendencias de las resinas de intercambio y los radios iónicos.