ไอออน

แผนภาพประจุอิเล็กตรอนของไนเตรตไอออน

ไอออน คือ อะตอมหรือกลุ่มอะตอมที่มีประจุสุทธิทางไฟฟ้าเป็นบวกหรือเป็นลบ ไอออนที่มีประจุลบจะมีอิเล็กตรอนในชั้นอิเล็กตรอน (electron shell) มากกว่าที่มันมีโปรตอนในนิวเคลียส เราเรียกไอออนชนิดนี้ว่า แอนไอออน (anion) เพราะมันถูกดูดเข้าหาขั้วแอโนด (anode) ส่วนไอออนที่มีประจุบวกจะมีอิเล็กตรอนน้อยกว่าโปรตอน เราเรียกว่า แคทไอออน (cation) เพราะมันถูกดูดเข้าหาขั้วแคโทด (cathode) กระบวนการแปลงเป็นไอออน และสภาพของการถูกทำให้เป็นไอออน เรียกว่า การแตกตัวเป็นไอออน (อังกฤษ: ionization) ส่วนกระบวนการจับตัวระหว่างไอออนและอิเล็กตรอนเข้าด้วยกันจนเกิดเป็นอะตอมที่ดุลประจุแล้วมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า เรียกว่า recombination แอนไอออนแบบโพลีอะตอมิก ซึ่งมีออกซิเจนประกอบอยู่ บางครั้งก็เรียกว่า "ออกซีแอนไอออน" (oxyanion)

ไอออนแบบอะตอมเดียวและหลายอะตอม จะเขียนระบุด้วยเครื่องหมายประจุรวมทางไฟฟ้า และจำนวนอิเล็กตรอนที่สูญเสียไปหรือได้รับมา (หากมีมากกว่า 1 อะตอม) ตัวอย่างเช่น H⁺, SO₃^2-

กลุ่มไอออนที่ไม่แตกตัวในน้ำหรือแม้แต่ก๊าซที่มีส่วนของอนุภาคที่มีประจุ จะเรียกว่า พลาสมา (plasma) ซึ่งถือเป็น สถานะที่ 4 ของสสาร เพราะคุณสมบัติของมันนั้น แตกต่างไปจากของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ

พลังงานที่ต้องใช้

พลังงานที่ต้องการใช้เพื่อดึงอิเล็กตรอนในสถานะพลังงานต่ำสุด จากอะตอม หรือโมเลกุลสารใด ๆ ในสถานะก๊าซ ที่มีประจุสุทธิทางไฟฟ้าน้อยกว่า เรียกว่า ความสามารถในการทำให้เกิดไอออน (ionization potential หรือ ionization energy) พลังงานในการทำให้เกิดไอออนลำดับที่ n ของอะตอม ถือพลังงานที่ต้องใช้เพื่อดึงอิเล็กตรอนตัวที่ n หลังจากอิเล็กตรอนตัวที่ n-1 ถูกดึงออกไปแล้ว

ตัวอย่างเช่น โซเดียม มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 1 ตัว ในชั้นอิเล็กตรอนนอกสุด ดังนั้น ในรูปที่เป็นไอออน จึงมักจะพบในรูปที่สูญเสียอิเล็กตรอน 1 ตัว นั่นคือ Na⁺ ส่วนอีกฝากหนึ่งของตารางธาตุ คลอรีนนั้นมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 7 ตัว ดังนั้น รูปไอออนของมันที่พบทั่วไป จึงรับอิเล็กตรอนไว้ 1 ตัว นั่นคือ Cl^- สำหรับธาตุแฟรนเซียมนั้นมีพลังงานในการสร้างไอออนต่ำที่สุดในบรรดาธาตุทั้งหมด ส่วนฟลูออรีนนั้นมีพลังงานมากที่สุด

ไอออนอื่น ๆ

ไดแอนไออน (dianion) คือ ไอออนที่มีประจุลบ 2 ตัว ตัวอย่างเช่น ไดแอนไออนของเพนทาลีน (pentalene) คือ aromatic ส่วนซวิตเตอไรออน (zwitterion) เป็นไอออนที่มีประจุสุทธิเป็นศูนย์ แต่ประกอบด้วยประจุทั้งบวกและลบในตัวเอง

ประวัติ

ไมเคิล ฟาราเดย์ ได้ตั้งทฤษฎีเกี่ยวกับไอออนขึ้นเป็นครั้งแรก เมื่อราว พ.ศ. 2373 เพื่อบรรยายถึงส่วนของโมเลกุลที่เดินทางไปยังแอโนดหรือแคโทด อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีการอธิบายถึงกลไกที่ทำให้เกิดกระบวนการดังกล่าว กระทั่งปี พ.ศ. 2427 สวันเต เอากุสต์ อาร์เรเนียส (Svante August Arrhenius) ได้ทำการวิจัยขณะเขียนวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเขา ในเบื้องต้นนั้นทฤษฎีของเขายังไม่เป็นที่ยอมรับ แต่ในที่สุดวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของเขาก็สามารถทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ประจำปี พ.ศ. 2446 ได้

การใช้งาน

ไอออนนั้นมีความจำเป็นสำหรับชีวิต ไอออนของโซเดียม โพแทสเซียม และแคลเซียม และไอออนอื่น ๆ มีบทบาทสำคัญในเซลของสิ่งมีชีวิต โดยเฉพาะในเซลเมมเบรน ไอออนเหล่านี้มีการใช้ในชีวิตประจำวันเป็นจำนวนมาก เช่น ตัวตรวจจับควัน และยังพบในการใช้เทคโนโลยีแบบใหม่ เช่น เครื่องยนต์ไอออน (ion engine) และปืนใหญ่แบบใช้ไอออน (ion cannon)

ประวัติคำ

คำว่า "ไอออน" เป็นชื่อที่ไมเคิล ฟาราเดย์ได้ตั้งขึ้น เป็นคำยืมมาจากภาษากรีก : ἰόν (หมายถึง อนุภาคที่ปรากฏความเป็นกลาง จากคำว่า ἰέναι หมายถึง ไป, คำว่า "ไอออน" จึงหมายถึง ผู้ไป ส่วน "แอนไอออน" (ἀνιόν) และ "แคทไอออน" (κατιόν) หมายถึง สิ่งที่กำลังขึ้น และสิ่งที่กำลังลง ตามลำดับ ขณะที่ "แอโนด" มาจาก อานอดอส (ἄνοδος) และ "คาโถด" มาจาก คาธอดอส (κάθοδος) หมายถึง การเคลื่อนขึ้น และการเคลื่อนลง ตามลำดับ จากศัพท์ อาดอส (ὁδός) หมายถึง ทาง