イオン

イオン（/ ˈ aɪ . ɒ n , - ən /）^[1]は、正味の電荷を持つ原子または分子です。電子の電荷は慣例的に負であると考えられており、この電荷は慣例的に正であると考えられている陽子の電荷と等しく反対です。イオンの正味電荷は、電子の総数が陽子の総数と等しくないため、ゼロではありません。

陽イオンは陽子よりも電子数が少ない正電荷イオンです^[2]（例：K ⁺（カリウムイオン））、陰イオンは陽子よりも電子数が多い負電荷イオンです^[3]（例：Cl ^-（塩化物イオン）とOH ^{- （水酸化物イオン））。反対の電荷は}静電気力によって互いに引き付けられるため、陽イオンと陰イオンは互いに引き合い、イオン化合物を容易に形成します。

+または-のみが存在する場合、+1または-1の電荷を示します（2+は電荷+2を示し、2-は電荷-2を示します）。^[4]

+2と-2の電荷は次のようになります：O ₂ ^2-（負電荷、過酸化物）He ²⁺（正電荷、アルファ 粒子）。^[4]

1つの原子のみからなるイオンは原子イオンまたは単原子イオンと呼​​ばれ、2つ以上の原子からなるイオンは分子イオンまたは多原子イオンと呼​​ばれます。流体（気体または液体）の物理的なイオン化の場合、「イオン対」は自発的な分子衝突によって生成され、生成された各対は自由電子と陽イオンで構成されます。^[5]イオンは、液体への塩の溶解などの化学的相互作用によっても生成されます。または、導電性溶液に直流を流し、イオン化によって陽極を溶解するなどの他の手段によっても生成されます。

イオンという言葉は、ギリシャ語の ἰέναι ( ienai )の中性現在分詞から作られた造語で、「移動する」という意味です。陽イオンは下へ移動するもの (ギリシャ語: κάτω , kato、「下へ」の意味) で、陰イオンは上へ移動するもの (ギリシャ語: ἄνω , ano、「上へ」の意味) です。イオンは反対の電荷を持つ電極に向かって移動するため、このように呼ばれています。この用語は、英国の博学者ウィリアム ・ヒューウェルの提案を受けて、1834 年に英国の物理学者で化学者のマイケル・ファラデーによって、水性媒体を通って一方の電極から他方の電極に移動する当時未知の物質を表すために導入されました^{[6] 。 [7] [8]}ファラデーはこれらの物質の性質を知りませんでしたが、一方の電極で金属が溶解して溶液に入り、もう一方の電極で溶液から新しい金属が出てくることから、何らかの物質が電流で溶液を移動していることは知っていました。これにより、物質は1つの場所から別の場所に移動します。ファラデーとのやり取りの中で、ヒューウェルは、それぞれの電極に引き付けられるイオンとして、陽極と陰極、および陰イオンと陽イオンという言葉も作りました。^[6]

スヴァンテ・アレニウスは1884年の博士論文で、固体の結晶塩が溶解すると荷電粒子対に解離するという事実を説明し、これにより1903年のノーベル化学賞を受賞した。 ^[9]アレニウスの説明は、溶液を形成する際に塩がファラデーイオンに解離するというもので、電流がなくてもイオンが形成されると提唱した。^{[10] [11] [12]}

ガスのような状態のイオンは反応性が高く、反対の電荷を持つイオンと急速に相互作用して中性分子またはイオン塩を生成します。また、塩が溶媒（水など）と相互作用して溶媒和イオンを生成すると、液体または固体のイオンも生成されます。溶媒和イオンは、イオンが互いに離れて液体と相互作用するときにエネルギーとエントロピーの変化の組み合わせを伴う理由により、より安定しています。これらの安定した種は、低温の環境でより一般的に見られます。一般的な例は、溶解した塩に由来する海水に存在するイオンです。

イオンは帯電物体であるため、反対の電荷（正電荷から負電荷、負電荷から正電荷）に引き付けられ、同じ電荷からは反発されます。イオンが移動すると、磁場によって軌道が曲げられることがあります。

電子は、質量がより小さく、したがって物質波として空間を満たす特性が大きいため、電子を持つ原子や分子のサイズを決定します。したがって、陰イオン（負に帯電したイオン）は、余分な電子が互いに反発し合い、イオンの物理的サイズが大きくなるため、親分子または原子よりも大きくなります。これは、サイズが電子雲によって決まるためです。陽イオンは、電子雲のサイズが小さいため、対応する親原子または分子よりも小さくなります。ある特定の陽イオン（水素の陽イオン）には電子が含まれず、したがって単一の陽子で構成されます。これは、親水素原子よりも はるかに小さいです。

陰イオン (-) と陽イオン (+) は、イオンの正味の電荷を示します。陽子よりも電子が多く、正味の負電荷を持つイオンは陰イオンと呼​​ばれ、マイナス表示の「陰イオン (-)」は負電荷を示します。陽イオンの場合は正反対で、陽子よりも電子が少なく、正味の正電荷を持つため、「陽イオン (+)」と表示されます。

陽子の電荷は電子の電荷と大きさが等しいため、イオンの正味の電荷はイオン内の陽子の数から電子の数を引いた数に等しくなります。

アン陰イオン（−）（ / ˈ æ n ˌ aɪ . ən / ANN -eye-ən、ギリシャ語の ἄνω ( ánō )から来ており、「上」を意味する^[13]）は、陽子よりも電子の数が多いイオンであり、正味の電荷は負である（電子は負に帯電し、陽子は正に帯電するため）。 ^[14]

あ陽イオン（+）（ / ˈ k æ t ˌ aɪ . ən / KAT -eye-ən、ギリシャ語のκάτω ( kátō )から来ており、「下」を意味する^[15]）は、陽子よりも電子が少ないイオンであり、正の電荷を帯びている。 ^[16]

複数の電荷を持つイオンには、追加の名称が付けられています。例えば、-2の電荷を持つイオンはジアニオンと呼ばれ、 +2の電荷を持つイオンはジカチオンと呼ばれます。両性イオンは、分子内の異なる場所に正と負の電荷を持つ中性分子です。^[17]

陽イオンと陰イオンはイオン半径で測定され、相対的な大きさが異なります。「陽イオンは小さく、そのほとんどは半径が10 ⁻¹⁰ m (10 ^{−8 cm) 未満です。しかし、ほとんどの陰イオンは大きく、最も一般的な地球の陰イオンである}酸素もそうです。この事実から、結晶の空間の大部分は陰イオンによって占められ、陽イオンは陰イオン間の空間に収まることが明らかです。」^[18]

陰イオンと陽イオン（電気分解中にそれぞれ陽極と陰極に移動するイオン）という用語は、1834 年にマイケル ファラデーがウィリアム ヒューウェルとの協議の後に導入しました。

イオンは自然界に遍在し、太陽の発光から地球の電離層の存在まで、さまざまな現象の原因となっています。イオン状態の原子は中性原子とは異なる色を持つことがあり、金属イオンによる光吸収が宝石の色を生み出します。無機化学と有機化学（生化学を含む）の両方において、水とイオンの相互作用はシステムの特性の理解にしばしば関連しています。その重要性の一例は、生物系における多くの反応のエネルギー源となる アデノシン三リン酸（ ATP ）の分解です。

イオンは、通常、高電圧または高温を伴うさまざまなイオン源を使用して非化学的に生成できます。これらは、質量分析計、発光分析計、粒子加速器、イオン注入装置、イオンエンジンなど、さまざまなデバイスで使用されます。

反応性荷電粒子として、微生物を破壊して空気を浄化したり、煙探知器などの家庭用品にも使用されています。

生物のシグナル伝達と代謝は膜を挟んだ正確なイオン勾配によって制御されているため、この勾配の破壊は細胞死に寄与します。これは、イオンチャネルのグラミシジンやアムホテリシン（殺菌剤）を含む、天然および人工の殺生物剤によって利用される一般的なメカニズムです。

無機溶解イオンは、水質の指標として広く知られている総溶解固形物を構成する成分です。

放射線のガスに対する電離効果は、アルファ線、ベータ線、ガンマ線、X線などの放射線の検出に広く利用されています。これらの機器における最初の電離イベントは、放射線によるガス分子へのイオンの衝突によって、陽イオンと自由電子の「イオン対」の形成をもたらします。電離箱はこれらの検出器の中で最も単純なもので、電場を適用することでガス内の直接電離によって生成されたすべての電荷を収集します。^[5]

ガイガー・ミュラー管と比例計数管はどちらもタウンゼント雪崩と呼ばれる現象を利用して、カスケード効果によって元の電離イベントの効果を増幅します。このカスケード効果によって、自由電子は電界によって十分なエネルギーを与えられ、イオンの衝撃によってさらに電子を放出します。

イオンの化学式を書くときは、その正味電荷を分子/原子の化学構造の直後に上付き文字で書きます。正味電荷は、大きさを符号の前に書きます。つまり、2価の陽イオンは+2ではなく2+と示されます。ただし、1価の分子/原子の場合は電荷の大きさは省略されます。たとえば、ナトリウム陽イオンはNa ¹⁺ではなくNa ⁺と示されます。

複数の電荷を持つ分子/原子を示す別の（そして許容される）方法は、記号を複数回描くことです。これは遷移金属でよく見られます。化学者は記号を丸で囲むことがありますが、これは単なる装飾であり、化学的な意味を変えるものではありません。したがって、図に示されている Fe ²⁺、Fe ⁺⁺、Fe ^{⊕⊕の 3 つの表現はすべて同等です。}

単原子イオンは、特に分光学においては、ローマ数字で表記されることもある。例えば、上に示したFe ²⁺ (正に二重に帯電) の例は、 Fe(III)、Fe ^III、または Fe III (中性 Fe 原子の場合は Fe I、一価イオン化した Fe イオンの場合は Fe II) と呼ばれる。ローマ数字は元素の形式上の酸化状態を示し、上付きのインドアラビア数字は正味の電荷を示す。したがって、単原子イオンではこの 2 つの表記法は互換性があるが、多原子イオンにはローマ数字を適用できない。ただし、ウラニルイオンの例で示すように、多原子錯体と個々の金属中心の表記法を混在させることは可能である。

イオンに不対電子が含まれている場合、ラジカルイオンと呼​​ばれます。電荷を持たないラジカルと同様に、ラジカルイオンは非常に反応性があります。炭酸塩や硫酸塩などの酸素を含む多原子イオンは、オキシアニオンと呼ばれます。少なくとも 1 つの炭素と水素の結合を含む分子イオンは、有機イオンと呼​​ばれます。有機イオンの電荷が正式に炭素に集中している場合、それはカルボカチオン(正に帯電している場合) またはカルボアニオン(負に帯電している場合)と呼ばれます。

単原子イオンは、原子の価電子殻（最も外側の電子殻）への電子の獲得または喪失によって形成されます。原子の内殻は、正に帯電した原子核にしっかりと結合した電子で満たされているため、この種の化学反応には関与しません。中性原子または分子から電子を獲得または喪失するプロセスは、イオン化と呼ばれます。

原子は放射線の照射によってイオン化されるが、化学で遭遇するより一般的なイオン化のプロセスは、原子または分子間の電子の移動である。この移動は通常、安定した（「閉殻」）電子配置の達成によって駆動される。原子は、どの動作が最も少ないエネルギーを必要とするかに応じて、電子を獲得または失う。

例えば、ナトリウム原子Naは、その価電子殻に1つの電子を持ち、2個と8個の電子で満たされた2つの安定した内殻を囲んでいます。これらの満たされた殻は非常に安定しているため、ナトリウム原子は余分な電子を失い、この安定した構成を達成し、その過程でナトリウム陽イオンになる傾向があります。

${\displaystyle {\ce {Na -> Na+ + e-}}}$

一方、塩素原子 Cl は価電子殻に 7 つの電子を持ち、これは 8 つの電子で満たされた安定した殻より 1 つ少ない。したがって、塩素原子は余分な電子を獲得して安定した 8電子配置を獲得する傾向があり、その過程で塩化物アニオンになる。

${\displaystyle {\ce {Cl + e- -> Cl-}}}$

この駆動力により、ナトリウムと塩素は化学反応を起こし、余分な電子がナトリウムから塩素に移動し、ナトリウム陽イオンと塩化物陰イオンが形成されます。これらの陽イオンと陰イオンは反対の電荷を帯びているため、イオン結合を形成し、結合して塩化ナトリウム(NaCl)を形成します。これは一般に食塩として知られています。

${\displaystyle {\ce {Na+ + Cl- -> NaCl}}}$

多原子イオンや分子イオンは、中性分子中の陽子H ⁺などの元素イオンの獲得または喪失によって形成されることが多い。例えば、アンモニアNH ₃が陽子H ^+を受け入れると（プロトン化と呼ばれるプロセス）、アンモニウムイオンNHが形成される。+4アンモニアとアンモニウムは本質的に同じ電子配置で同じ数の電子を持っていますが、アンモニウムには正味の正電荷を与える余分な陽子があります。

アンモニアは電子を失って正電荷を得て、NHイオンを形成することもできる。+3しかし、このイオンは窒素原子の周囲に不完全な原子価殻を持つため不安定であり、非常に反応性の高いラジカルイオンとなります。

ラジカルイオンは不安定であるため、多原子イオンや分子イオンは通常、電子を獲得したり失ったりするのではなく、 H ⁺などの元素イオンを獲得したり失ったりすることによって形成されます。これにより、分子は電荷を獲得しながら安定した電子配置を維持することができます。

最も低いエネルギー状態の電子を、正味電荷の少ない気体の原子または分子から切り離すのに必要なエネルギーは、イオン化ポテンシャル、またはイオン化エネルギーと呼ばれます。原子のn番目のイオン化エネルギーは、最初の n − 1 個の電子がすでに切り離された後に、 n 番目の電子を切り離すのに必要なエネルギーです 。

イオン化エネルギーは、それぞれが前のイオン化エネルギーよりも著しく大きくなります。特に、任意の原子軌道ブロックの電子が枯渇した後に、イオン化エネルギーが大幅に増加します。このため、イオンは軌道ブロックがいっぱいになるように形成される傾向があります。たとえば、ナトリウムは最外殻に価電子を1 つ持っているため、イオン化された状態では、通常、電子を 1 つ失ったNa ⁺として見られます。周期表の反対側では、塩素は価電子を 7 つ持っているため、イオン化された状態では、通常、電子を 1 つ得たCl ⁻として見られます。セシウムはすべての元素の中で最も低いイオン化エネルギーが測定され、ヘリウムは最も高いイオン化エネルギーを持っています。^{[19]一般に、}金属のイオン化エネルギーは非金属のイオン化エネルギーよりもはるかに低いため、一般に金属は電子を失って正に帯電したイオンを形成し、非金属は電子を獲得して負に帯電したイオンを形成します。

イオン結合は、反対の電荷を持つイオン同士の引力によって生じる化学結合の一種です。同じ電荷を持つイオンは反発し合い、反対の電荷を持つイオンは引き合います。したがって、イオンは通常単独では存在せず、反対の電荷を持つイオンと結合して結晶格子を形成します。結果として生じる化合物はイオン化合物と呼ばれ、イオン結合によって結合していると言われています。イオン化合物では、イオンの隣接間に特徴的な距離が生じ、そこから個々のイオンの空間的広がりとイオン半径を導き出すことができます。

最も一般的なタイプのイオン結合は、金属と非金属の化合物で見られます（希ガスは例外で、希ガスはめったに化合物を形成しません）。金属は、安定した閉殻電子配置よりも少数の電子を多く持つことが特徴です。そのため、金属は安定した配置を実現するために、これらの余分な電子を失う傾向があります。この特性は電気陽性度として知られています。一方、非金属は、安定した配置よりもわずか数電子少ない電子配置を持つことが特徴です。そのため、非金属は安定した配置を実現するために、より多くの電子を獲得する傾向があります。この傾向は電気陰性度として知られています。電気陽性度の高い金属が電気陰性度の高い非金属と結合すると、金属原子からの余分な電子が電子不足の非金属原子に移動します。この反応により金属陽イオンと非金属陰イオンが生成され、互いに引き合って塩を形成します。