IONE

È opportuno distinguere gli ioni elettrolitici dagli ioni gassosi.

Ioni elettrolitici

Per spiegare le proprietà delle soluzioni e i fenomeni di elettrolisi lo svedese S. Arrhenius avanzò l'ipotesi che, in soluzioni acquose, le molecole di acidi, sali e basi si dissocino, parzialmente e in modo spontaneo, in particelle elettricamente cariche, alcune positivamente altre negativamente, dette ioni. Gli ioni positivi prodotti da soluzioni acide (se non si producono reazioni con il solvente) sono costituiti da atomi di idrogeno che hanno perso un elettrone e portano quindi una carica elementare e; se si tratta di una base o di un sale, sono costituiti da un atomo di metallo dotato di una carica uguale, in valore assoluto, a n · e, dove n è un numero intero che caratterizza la valenza del metallo. Gli ioni negativi provengono dalla parte rimanente della molecola.

Vi sono sostanze le cui molecole sono costituite da atomi fra loro uniti da un legame chimico particolare detto ionico o eteropolare; questo avviene ad es. nella struttura cristallina del cloruro di sodio composta da ioni Na+ (atomi di sodio che hanno perso un elettrone) e ioni Cl­ (atomi di cloro con un elettrone in eccesso). Quando queste sostanze sono poste in soluzione acquosa, a causa dell'elevata costante dielettrica dell'acqua che riduce sensibilmente l'intensità delle forze coulombiane, parte delle molecole si dissociano negli ioni componenti; questi ultimi, migrando nella soluzione, tendono a unirsi di nuovo essendo dotati di cariche elettriche opposte. Si stabilisce quindi, in seno alla soluzione, una condizione di equilibrio statistico caratterizzato dal valore del coefficiente di dissociazione ionica: si chiama così il rapporto a(0<a<1) fra il numero di molecole dissociate e il numero totale di molecole in assenza di dissociazione; il suo valore dipende dalla natura dell'elettrolita, dalla temperatura e dalla concentrazione della soluzione. Applicando la legge di Guldberg e Waage si può mostrare che a aumenta e tende a 1 quando la concentrazione dell'elettrolita tende a 0.

Questa ipotesi della dissociazione parziale viene accettata con opportune riserve: se è vero che la definizione di coefficiente di dissociazione conserva la sua validità per una certa categoria di elettroliti detti "deboli", cioè poco dissociati anche in una soluzione diluita, esistono tuttavia numerosi elettroliti detti forti che sono quasi completamente dissociati anche in soluzioni molto concentrate. L'interpretazione quantitativa delle proprietà degli elettroliti forti pone problemi non ancora completamente risolti, malgrado l'uso di teorie matematiche complesse che tengono conto delle azioni elettriche che si stabiliscono fra ioni e molecole del solvente.

L'introduzione nella soluzione di due elettrodi mantenuti a potenziale diverso, ad es. mediante una batteria, produce un campo elettrico E che pone in movimento gli ioni: quelli positivi verso il catodo (di qui il loro nome di cationi), quelli negativi verso l'anodo (di qui il nome di anioni). La velocità di spostamento u degli ioni, che dipende dalla loro natura, è proporzionale al campo elettrico E (u=kE) secondo una costante k detta mobilità dello ione; questa è una grandezza molto piccola che, ad es., per lo ione più rapido, lo ione H+, vale 0,00329 cm/s. per V/cm.

Non appena gli ioni raggiungono gli elettrodi si neutralizzano e riacquistano le proprietà chimiche caratteristiche degli atomi corrispondenti; si possono quindi produrre, per associazione o per reazione chimica con gli elettrodi o con l'elettrolita, delle nuove molecole. La nozione di ione è molto importante in chimica, poiché consente di interpretare numerosi fenomeni connessi con le reazioni, dette ioniche, che si producono fra gli elettroliti in soluzione, come ad es. il colore delle soluzioni, caratteristica dovuta agli ioni in esse presenti; il calore di neutralizzazione, dovuto per le basi e gli acidi forti esclusivamente alla formazione di una mole di acqua mediante ioni H+ e OH­; le reazioni di idrolisi salina, in cui interviene una sia pur debole dissociazione ionica dell'acqua; le reazioni di precipitazione, anche queste connesse con il comportamento degli ioni. Per tutte queste reazioni la scrittura ionica, che è la diretta trascrizione del meccanismo ionico, va sostituendo la tradizionale scrittura con formule intere, di cui è più semplice e non meno generale. La teoria degli ioni, sebbene non completamente soddisfacente, porta dunque un contributo prezioso alla chimica.

Ioni gassosi

L'esperienza ha mostrato che sotto l'azione di alcuni agenti, detti agenti ionizzanti (raggi ultravioletti, raggi X, raggi g, raggi a e b, raggi cosmici e ogni particella subatomica elettricamente carica), i gas divengono conduttori di elettricità. Un'uguale conducibilità si osserva in prossimità delle fiamme o per effetto di alcune reazioni chimiche quali l'ossidazione del fosforo bianco. L'azione dell'agente ionizzante produce l'alterazione della struttura di alcuni atomi del gas; questi atomi, che posseggono un numero di elettroni in eccesso o in difetto, sono detti ioni negativi o positivi.

Gli ioni gassosi, al pari di quelli elettrolitici, portano una carica elettrica uguale a un numero intero di cariche elementari e. Contrariamente alla dissociazione elettrolitica, che è una dissociazione di molecole, la dissociazione dei gas è atomica; in particolare possono essere ionizzati i gas monoatomici, i gas nobili e i vapori metallici. La percentuale di atomi ionizzati nelle normali condizioni sperimentali è sempre molto piccola e giunge, al massimo, a un miliardesimo. La mobilità degli ioni gassosi è molto più grande di quella degli ioni elettrolitici poiché è dell'ordine del cm/s per V/cm; la mobilità degli ioni negativi è leggermente più elevata di quella degli ioni positivi e nel caso di ioni piccoli è inversamente proporzionale alla pressione.

Gli ioni attirano facilmente la polvere o le goccioline di nebbia; in particolare la condensazione del vapore in un'atmosfera satura d'acqua avviene, di preferenza, sugli ioni, agenti da centri di condensazione; questa proprietà è stata ampiamente utilizzata per studiare le traiettorie delle particelle elettrizzate e il meccanismo di ionizzazione dei gas dovuto all'azione dei raggi X (camera di Wilson).

Gli ioni positivi e gli elettroni tendono a "ricombinarsi" per formare atomi neutri; questi processi sono accompagnati da emissione di radiazioni che sono utilizzate come fonte luminosa nei tubi luminescenti.

Grammo-ione

Il grammo-ione di un elemento è l'equivalente, in grammi, del peso atomico di questo elemento allo stato di ione: ad es. un grammo- ione di idrogeno è costituito da 1,00797 g di ioni di idrogeno, un grammo-ione di rame è costituito da 63,57 g di ioni di rame. Si può dire, in modo equivalente, che un grammo-ione di un elemento è dato dalla massa misurata in grammi di N ioni di questo elemento, ove N=6,023×10²³ è il numero di Avogadro.