İyon Nedir? Yük Hesaplama, İyon Türleri ve Bileşikler

Proton-elektron eşitliği bozulunca iyon nasıl oluşur?

Bir atomun çekirdeğinde pozitif yüklü protonlar, çevresinde ise negatif yüklü elektronlar bulunur. Nötr bir atomda proton sayısı elektron sayısına eşittir. Örneğin 11 proton ve 11 elektrona sahip sodyum atomunun net yükü sıfırdır.

Atom elektron verirse negatif yüklerin sayısı azalır. Pozitif protonlar daha fazla kaldığı için net yük pozitif olur ve kation oluşur. Atom elektron alırsa negatif yüklerin sayısı artar; bu durumda net yük negatif olur ve anyon oluşur. İyon oluşurken çekirdekteki proton sayısı değişmediği için elementin kimliği de değişmez. Sodyum bir elektron verdiğinde başka bir elemente dönüşmez; hâlâ sodyumdur, ancak artık $Na^+$ iyonudur.

İyon yükü, iyonun kaç elektron alıp verdiğini gösterir. $+1$, bir elektron kaybını; $-1$, bir elektron kazanımını ifade eder. $+2$ yüklü bir iyon iki elektron vermiş, $-2$ yüklü bir iyon ise iki elektron almış olabilir. Bu yorum, proton sayısının bilindiği ve iyonun yükünün elektron alışverişinden kaynaklandığı durumlarda kullanılır.

Kation ve anyon oluşumunu elektron dizilimiyle okumak

Metallerin çoğu bileşiklerinde elektron verme, ametallerin çoğu ise elektron alma eğilimi gösterir; ancak bu yalnızca genel bir eğilimdir ve her element ile her bileşik için geçerli değildir. Bunun nedeni, dış enerji düzeyinin daha kararlı bir elektron düzenine ulaşması olabilir; ancak bu durum her element için tek ve değişmez bir elektron alışverişi kuralı değildir. Özellikle geçiş metalleri birden fazla iyon yükü oluşturabilir.

Sodyumun atom numarası 11 olduğundan nötr sodyumda 11 elektron bulunur. Elektron dizilimi katmanlar açısından $2,8,1$ şeklindedir. Dış katmandaki bir elektronu vermesiyle $2,8$ düzenine ulaşır ve $Na^+$ oluşur. Klorun atom numarası 17’dir; nötr klorun elektron dağılımı $2,8,7$ olur. Bir elektron alırsa $2,8$ düzenine ulaşır ve $Cl^-$ meydana gelir.

Bu örnekler oktet eğilimini gösterir: Dış katmanda sekiz elektrona ulaşma eğilimi birçok ana grup elementi için yararlı bir açıklamadır. Fakat oktet kuralı, iyon oluşumunun bütün durumlarını açıklayan mutlak bir yasa değildir. Hidrojen ve helyum gibi ilk enerji düzeyinde bulunan elementler için iki elektronla dolma eğilimi dikkate alınır. Ayrıca bazı atomlar elektron vermek veya almak yerine ortaklaşa kullanma yoluyla kovalent bağ kurabilir.

İyon yükü, atom numarası ve elektron sayısı nasıl ilişkilendirilir?

Bir elementin atom numarası, çekirdeğindeki proton sayısına eşittir. İyon oluşurken proton sayısı değişmediğinden atom numarası aynı kalır. Değişen büyüklük elektron sayısıdır. Bu nedenle elektron sayısı, iyonun yüküne göre hesaplanabilir.

Temel bağıntı şudur:

$Yük = Proton\\ sayısı - Elektron\\ sayısı$

Proton sayısı $p$, elektron sayısı $e$ ve iyon yükü $q$ ile gösterilirse $q=p-e$ yazılır. Pozitif sonuç kationu, negatif sonuç anyonu belirtir. Buradan elektron sayısı da $e=p-q$ biçiminde bulunabilir.

Örneğin 17 protonlu bir parçacığın yükü $-1$ ise elektron sayısı $17-(-1)=18$ olur. 12 protonlu bir parçacığın yükü $+2$ ise elektron sayısı $12-(+2)=10$ bulunur.

İyon yükü ile kütle numarası karıştırılmamalıdır. Kütle numarası proton ve nötronların toplamıdır; iyonlaşma sırasında elektron sayısı değiştiği için kütle numarası, yalnızca elektron alıp verme nedeniyle değişmez. İzotoplarda proton sayısı aynı, nötron sayısı farklıdır; izotop farkı iyon yüküyle değil nötron sayısıyla ilgilidir.

İyonik bileşik formülü yazarken yük dengesi nasıl kurulur?

Bir kation ile anyon bir iyonik bileşik oluşturduğunda bileşiğin toplam elektrik yükü nötr olmalıdır. Bunun için iyonlar, pozitif ve negatif yüklerin toplamını sıfırlayacak en küçük tam sayı oranında yazılır. Bu işlem, iyonların formülde rastgele yan yana getirilmesinden farklıdır.

Sodyum iyonu $Na^+$ ile klorür iyonu $Cl^-$ birleştiğinde yükler $+1$ ve $-1$ olduğundan oran $1:1$ olur; formül $NaCl$ şeklinde yazılır. Magnezyum iyonu $Mg^{2+}$ ile klorür iyonu $Cl^-$ birleştiğinde bir magnezyumun $+2$ yükünü dengelemek için iki klorür gerekir. Bu nedenle formül $MgCl_2$ olur.

Kalsiyum iyonu $Ca^{2+}$ ile oksit iyonu $O^{2-}$ için yükler büyüklük bakımından eşittir. Birer iyon yeterli olduğundan formül $CaO$ yazılır; alt indisler sadeleştirilebiliyorsa ortak çarpan korunmaz. Alüminyum iyonu $Al^{3+}$ ile oksit iyonu $O^{2-}$ için en küçük ortak yük 6’dır. İki alüminyum toplam $+6$, üç oksit toplam $-6$ verdiği için formül $Al_2O_3$ olur.

Bileşik adlandırılırken önce kation, sonra anyon söylenir: $NaCl$ sodyum klorürdür. Değişken yük alabilen metallerde iyon yükü ayrıca belirtilmelidir. Örneğin $Fe^{2+}$ demir(II), $Fe^{3+}$ demir(III) olarak adlandırılır. Bu parantez içindeki Roma rakamı, özellikle değişken değerlikli metallerin yükseltgenme basamağını gösterir; basit iyonik bileşiklerde bu, metal iyonunun yüküyle örtüşür. Atom sayısını göstermez.

Çözümlü örnekler: iyon yükü ve bileşik oranı

Örnek 1 — Verilen: Atom numarası 13 olan nötr bir alüminyum atomu üç elektron kaybediyor. İyonun yükünü ve elektron sayısını bulunuz.

1. Atom numarası 13 olduğundan proton sayısı $13$’tür.
2. Nötr alüminyum atomunda elektron sayısı da $13$ olur.
3. Üç elektron kaybedildiği için elektron sayısı $13-3=10$ olur.
4. Yük bağıntısı uygulanır: $Yük=13-10=+3$.

Sonuç: Oluşan iyon $Al^{3+}$, yani pozitif yüklü bir kationdur. Burada proton sayısı 13 olarak kalmıştır; yalnızca elektron sayısı değişmiştir.

Örnek 2 — Verilen: $Al^{3+}$ ve $O^{2-}$ iyonlarından nötr bir iyonik bileşik oluşturulacaktır. Formülü bulunuz.

1. Bir alüminyum iyonunun yükü $+3$, bir oksit iyonunun yükü $-2$’dir.
2. Pozitif ve negatif toplam yüklerin eşit büyüklükte olması gerekir.
3. 3 ile 2’nin en küçük ortak katı 6’dır.
4. İki alüminyum iyonu $2\times(+3)=+6$ yük verir.
5. Üç oksit iyonu $3\times(-2)=-6$ yük verir.
6. Toplam yük $+6-6=0$ olduğundan formül $Al_2O_3$ olur.

Sonuç: Alt indisler, iyonların yüklerini dengeleyen en küçük tam sayı oranını gösterir. Formül yazıldıktan sonra toplam yük mutlaka kontrol edilmelidir.

Sık yapılan hatalar ve karıştırılan sınır durumları

1. Elektron alan iyonu pozitif sanmak: Elektron negatif yüklü olduğu için elektron almak negatif yükü artırır ve anyon oluşturur. Elektron vermek kation oluşturur.

2. İyon yükünü atom numarası sanmak: Atom numarası proton sayısıdır ve elementin kimliğini belirler. $Na^+$ için atom numarası 11, elektron sayısı 10 ve iyon yükü $+1$’dir; bu üç değer aynı şey değildir.

3. Formüldeki alt indisi iyon yüküyle karıştırmak: $MgCl_2$ ifadesindeki 2, iki klorür iyonu bulunduğunu gösterir; magnezyumun yükünün $+2$ olduğunu doğrudan formüldeki alt indis belirlemez.

4. Yükleri sadeleştirmemek: $Ca^{2+}$ ve $O^{2-}$ için $Ca_2O_2$ yazılmaz; oran 1:1’e sadeleştirilerek $CaO$ yazılır.

5. Katı tuz ile tuz çözeltisini aynı sanmak: Katı iyonik kristalde iyonlar örgü içinde düzenlidir ve serbestçe hareket edemez. Tuz suda çözündüğünde iyonlar çözeltide hareket edebildiği için çözeltinin elektrik iletkenliği artar. Bu açıklama, iletkenliği iyonların varlığından çok hareket edebilmesine bağlar.

6. Oktet kuralını istisnasız uygulamak: Oktet eğilimi özellikle birçok ana grup elementi için pratik bir modeldir. Her atomun mutlaka elektron alıp vererek sekiz elektrona ulaşacağı sonucu çıkarılmamalıdır.

7. Çok atomlu iyonu atomla karıştırmak: $OH^-$ veya $SO_4^{2-}$ gibi türlerde birden fazla atom birlikte net yük taşır. Bu türler tek atomlu iyonlardan farklı olarak iyonik bir grup oluşturur.