Kation » Opis » co to? » Definicja pojęcia
Ekologia.pl Wiedza Encyklopedia kation
Definicja pojęcia:

kation

Spis treści

Kationjon dodatni – pojedynczy atom lub cząsteczka związku chemicznego (grupa dwóch lub większej ilości atomów połączonych wiązaniami chemicznymi), posiadające dodatni ładunek elektryczny, powstające w wyniku oddania elektronów przez określony atom lub cząsteczkę wyjściową. Kationy,  jako jony cechujące się nadmiarem protonów w stosunku do elektronów, w trakcie elektrolizy migrują w kierunku przeciwnie naładowanej elektrody ujemnej (katody). Kationy tworzą się głównie w wyniku utleniania atomów pierwiastków metalicznych (metali) (np. sodu, magnezu) lub rozpadu cząsteczek związków chemicznych (zasad, kwasów, soli) pod wpływem działania rozpuszczalnika (dysocjacji elektrolitycznej). Dzielą się na kationy proste składające się z atomów jednego pierwiastka chemicznego (np. kationy sodu, Na⁺; kationy wapnia, Ca²⁺) oraz kationy złożone składające się z atomów kilku pierwiastków chemicznych (np. kation amonowy, NH₄⁺; kation hydroniowy, H₃O⁺). Kationy pełnią ważną rolę w regulacji gospodarki wodno-elektrolitowej organizmu (osmoregulacji), transporcie tlenu i substancji odżywczych do komórek, przewodzeniu impulsów nerwowych i skurczach mięśni. Kationy są powszechnie wykorzystywane w wielu dziedzinach nauki, medycynie, technice i przemyśle.

Powstawanie kationów

Kationy, czyli jony posiadające dodatni ładunek elektryczny, tworzą się na drodze jonizacji polegającej na oddawaniu jednego lub większej liczby ujemnie naładowanych elektronów przez elektrycznie obojętne atomy lub złożone cząsteczki związków chemicznych. Proces tworzenia się kationów zależy głównie od energii jonizacji (potencjału jonizacyjnego), czyli minimalnej energii niezbędnej do odłączenia elektronu od określonego atomu lub cząsteczki. Tendencja do tworzenia jonów dodatnich występuje wśród atomów pierwiastków z grupy 1 (litowców, metali alkalicznych) i grupy 2 (berylowców, metali ziem alkalicznych) tworzących odpowiednio kationy jednowartościowe (np. Li⁺, Na⁺, K⁺) i dwuwartościowe (np. Be²⁺, Mg²⁺, Ca²⁺) oraz atomów pierwiastków zaliczanych do grup 3-12 układu okresowego (tzw. metali przejściowych) tworzących kationy o różnej wartościowości (np. Fe²⁺, Fe³⁺, Cr²⁺, Cr³⁺, Cr⁶⁺).

Powstawanie kationów i anionów. (infografika/Shutterstock)

Jonizacja, czyli proces powstawania kationów (jonów dodatnich) z określonych atomów lub cząsteczek, może zachodzić w wyniku:

  • ruchów cieplnych (termicznych) i wzajemnych zderzeń obojętnych elektrycznie atomów lub cząsteczek związków chemicznych pod wpływem działania wysokiej temperatury (tzw. jonizacja termiczna, termojonizacja);
  • wybicia elektronu z powłok atomowych wskutek absorpcji kwantu promieniowania elektromagnetycznego (fotonu) o energii równej lub wyższej niż energia jonizacji atomów lub cząsteczek związków chemicznych (tzw. fotojonizacja);
  • zderzeń pojedynczych atomów lub cząsteczek związków chemicznych z cząstkami promieniowania cząsteczkowego (korpuskularnego) o energii równej lub wyższej niż energia jonizacji (np. protonami, elektronami, cząstkami α);
  • oddziaływania pola elektrycznego nadającego naładowanym cząstkom (np. jonom, elektronom) energię równą lub wyższą niż energia jonizacji pojedynczych atomów lub cząsteczek związków chemicznych (tzw. jonizacja w polu elektrycznym);
  • przeniesienia ujemnie naładowanych elektronów między pojedynczymi atomami lub cząsteczkami związków chemicznych (donorami i akceptorami), prowadzącego do powstania jonów dodatnich i ujemnych (tzw. jonizacja chemiczna);
  • przyłączenia kationów do obojętnych elektrycznie atomów lub cząsteczek związków chemicznych (tzw. protonowanie), np. reakcja przyłączenia kationu wodoru ((H⁺) do cząsteczki amoniaku (NH₃) prowadząca do utworzenia kationu amonowego (NH₄⁺);
  • samorzutnego rozpadu ciekłych roztworów substancji jonowych (tzw. elektrolitów) (np. kwasów, zasad, soli) do jonów dodatnich i ujemnych w wyniku oddziaływania dipolowych cząsteczek rozpuszczalnika (np. wody) (tzw. dysocjacja elektrolityczna);
  • rozszczepienie silnie spolaryzowanych wiązań atomowych w wyniku oddziaływania rozpuszczalnika, np. dysocjacja wody w roztworze wodnym z wytworzeniem kationu hydroniowego (H₃O⁺) i anionu hydroksylowego (OH⁻) (tzw. autodysocjacja wody).

Kationy składające się z pojedynczych atomów (tzw. kationy proste) tworzą się w wyniku przeniesienia jednego lub większej ilości elektronów z zewnętrznej powłoki elektronowej (powłoki walencyjnej) atomu metalu (np. atomu sodu, Na) na atom niemetalu (np. atom chloru, Cl) lub dysocjacji elektrolitycznej kwasów, zasad i soli pod wpływem rozpuszczalnika (np. wody). Kationy składające się z cząsteczek (tzw. kationy złożone) powstają głównie w wyniku pozyskiwania jonów elementarnych (np. kationu wodoru, H⁺) (tzw. protonowania).

Dysocjacja elektrolityczna substancji jonowej – chlorku sodu (NaCl). (infografika/Shutterstock)

Właściwości kationów

Kation (gr. katión – idący w dół) jest jonem obdarzonym dodatnim ładunkiem elektrycznym, stanowiącym pojedynczy atom lub cząsteczkę związku chemicznego, czyli grupę dwóch lub większej ilości atomów połączonych wiązaniami chemicznymi. Kationy tworzą się w wyniku oddania jednego lub kilku elektronów przez określony atom lub cząsteczkę wyjściową dążące do uzyskania trwałej konfiguracji gazu szlachetnego. Jony te charakteryzują się nadmiarem dodatnio naładowanych protonów w stosunku do ujemnie naładowanych elektronów; w związku z czym w trakcie elektrolizy migrują w kierunku przeciwnie naładowanej elektrody ujemnej (katody). Kationy występują w stanie wolnym (w fazie gazowej) bądź tworzą mniej lub bardziej związane pary jonowe z przeciwnie naładowanymi jonami ujemnymi (anionami).


Kationy, w zależności od budowy chemicznej, zróżnicowane są na:

  • kationy proste (jednoatomowe) – kationy zbudowane wyłącznie z atomów jednego pierwiastka chemicznego, np. kation wodoru (H⁺), kation sodu (Na⁺), kation potasu (K⁺), kation magnezu (Mg²⁺), kation wapnia (Ca²⁺), kation glinu (Al³⁺), kation miedzi (II) (Cu²⁺), kation żelaza (II) (Fe²⁺), kation chromu (III) (Cr³⁺), kation cyny (IV) (Sn⁴⁺);
  • kationy złożone (wieloatomowe, cząsteczkowe) – kationy zbudowane z atomów kilku pierwiastków chemicznych, np. kation amonowy (NH₄⁺), kation hydroniowy (H₃O⁺), kation nitroniowy (NO₂⁺), kation uranylowy (VI) (UO₂²⁺), kation pirydyniowy (PyH⁺), karbokation metylowy (CH₃⁺), karbokation trytylowy ((Ph₃)₃C⁺).

Kationy wyróżnia ściśle określona konfiguracja elektronowa (budowa powłok elektronowych) oraz charakterystyczny promień jonowy, tzw. promień van der Waalsa (odległość elektronów położonych na najbardziej zewnętrznej powłoce elektronowej od jądra pojedynczego atomu lub geometrycznego centrum cząsteczki). Promienie jonowe kationów są znacznie mniejsze niż promienie odpowiednich jonowe atomów i cząsteczek wyjściowych, co spowodowane jest osłabieniem sił elektrostatycznego odpychania pomiędzy elektronami oraz zbliżeniem się chmury elektronowej do jądra pojedynczego atomu lub centrum geometrycznego cząsteczki. 

Przykładowo:

  • promień jonowy pojedynczego atomu sodu (Na): r(Na) = 157 pm, promień jonowy jednowartościowego kationu sodu (Na⁺): r(Na⁺) = 97 pm;
  • promień jonowy pojedynczego atomu magnezu (Mg): r(Mg) = 136 pm, promień jonowy dwuwartościowego kationu magnezu (Mg²⁺): r(Mg²⁺) = 75 pm.

Kationy stanowią wszystkie jony metali alkalicznych (litowców) (np. Li⁺, Na⁺, K⁺), metali ziem alkalicznych (berylowców) (np. Be²⁺, Mg²⁺, Ca²⁺) oraz metali ziem rzadkich (lantanowców) (np. La³⁺, Ce³⁺, Pr³⁺). Różnowartościowe kationy tworzą metale przejściowe, jak chromowce (np. Cr²⁺, Cr³⁺, Cr⁶⁺), manganowce (np. Mn²⁺, Mn³⁺), żelazowce (np. Fe²⁺, Fe³⁺), miedziowce (np. Cu⁺, Cu²⁺). Należą do nich również kation wodoru (H⁺), kation hydroniowy (H₃O⁺), kation amonowy (NH₄⁺) i karbokationy. Kationami są także jony obojnacze (amfijony) aminokwasów w obecności kwasów (np. jon obojnaczy glicyny: ⁺H₃N–CH₂–COO¯ + H⁺ → ⁺H₃N–CH₂–COOH)

Rozmiary promieni jonowych pierwiastków metalicznych i ich kationów. (infografika/Shutterstock)

Wiązania jonowe

Kationy, jako jony posiadające dodatni ładunek elektryczny, przyciągają aniony obdarzone ujemnym ładunkiem elektrycznym za pośrednictwem sił oddziaływania elektrostatycznego (tzw. oddziaływania Coulomba) rozchodzących się równomiernie we wszystkich kierunkach. Wzajemne oddziaływanie przeciwnie naładowanych jonów (tzw. jonów różnoimiennych) przyczynia się do utworzenia wiązań jonowych (biegunowych, elektrowalencyjnych), które mocno utrzymują te cząstki w sieci przestrzennej kryształów jonowych (tzw. sieci jonowej).


Wiązania jonowe powstają:

  • między atomami pierwiastków chemicznych o zróżnicowanej zdolności przyciągania elektronów (tzw. elektroujemności), czyli atomami elektrododatnich pierwiastków metalicznych (skłonnych do oddawania elektronów) i atomami elektroujemnych pierwiastków niemetalicznych (skłonnych do przyjmowania elektronów);
  • w wyniku przeniesienia jednego lub większej ilości elektronów z atomu pierwiastka elektrododatniego (metalu) na atom pierwiastka elektroujemnego (niemetalu) pod wpływem niskiej energii jonizacji atomów pierwiastków metalicznych i wysokiego powinowactwa elektronowego atomów pierwiastków niemetalicznych;
  • pod wpływem oddziaływania sił przyciągania elektrostatycznego między jonami obdarzonymi ładunkiem dodatnim (kationami) powstającymi w wyniku utleniania obojętnych elektrycznie atomów metali i jonami obdarzonymi ładunkiem ujemnym (anionami) powstałymi w wyniku redukcji obojętnych elektrycznie atomów niemetali.

Siły przyciągania elektrostatycznego między atomem elektrododatniego metalu (np. atomu sodu, Na) i atomem elektroujemnego niemetalu (np. dwuatomowej cząsteczki chloru, Cl₂) prowadzą do utworzenia substancji jonowej, czyli chlorku sodu (NaCl):

2 Na⁺ + 2 Cl¯ → 2 NaCl

Chlorek sodu, zwany potocznie solą kuchenną, posiada regularną sieć jonową w formie sześcianu z anionami chlorkowymi (Cl¯) umieszczonymi w węzłach sieci i kationami sodu (Na⁺) wypełniającymi puste przestrzenie międzywęzłowe (tzw. luki). Chlorek sodu, jak inne substancje jonowe, charakteryzuje się wysokimi temperaturami topnienia i wrzenia, co jest spowodowane silnymi oddziaływaniami elektrostatycznymi pomiędzy jonami o przeciwnych ładunkach elektrycznych. Substancje jonowe po stopieniu lub rozpuszczeniu przewodzą prąd elektryczny dzięki obecności nośników ładunków elektrycznych (czyli kationów i anionów).

Chlorek sodu (NaCl) posiada regularną sieć krystaliczną z anionami chlorkowymi (Cl¯) umieszczonymi w węzłach sieci i kationami sodu (Na⁺) wypełniającymi puste przestrzenie międzywęzłowe (tzw. luki). (infografika/Shutterstock)

Znaczenie biologiczne kationów

Kationy są cząstkami spełniającymi szereg istotnych funkcji biologicznych niezbędnych do prawidłowego wzrostu, rozwoju i funkcjonowania organizmów żywych. Kationy sodu (Na⁺), kationy potasu (K⁺) z anionami chlorkowymi (Cl¯) są odpowiedzialne za regulację gospodarki wodno-elektrolitowej organizmu przez utrzymywanie równowagi wodnej i prawidłowego ciśnienia osmotyczne płynów ustrojowych. Kationy wodoru (H⁺), sodu (Na⁺) i potasu (K⁺) wraz z chlorkami (Cl¯), siarczanami (VI) (SO₄²¯), wodorowęglanami (HCO₃¯) i fosforanami (PO₄³⁻) biorą udział w utrzymywaniu równowagi kwasowo-zasadowej, czyli optymalnego stężenia kationów wodoru (H⁺) we wnętrzu komórek i przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Kationy sodu (Na⁺), potasu (K⁺), wapnia (Ca²⁺), magnezu (Mg²⁺), żelaza (Fe²⁺), cynku (Zn²⁺), miedzi (Cu²⁺) i kationy amonowe (NH₄⁺) pełnią ważną rolę w żywieniu mineralnym roślin.

Kationy sodu (Na⁺), potasu (K⁺), wapnia (Ca²⁺) i wodoru (H⁺) są podstawą funkcjonowania pomp jonowych odpowiedzialnych za regulację wielu procesów zachodzących w żywych organizmach. Pompa sodowo-potasowa (ATPaza Na⁺/K⁺) uczestniczy w pobudzaniu komórek tkanki nerwowej (przewodzenie impulsów nerwowych) i tkanki mięśniowej (skurcze włókien mięśniowych) i transporcie substancji odżywczych (np. cukrów, aminokwasów) do wnętrza komórki. Pompa wapniowa (Ca²⁺-ATPaza) odpowiada za regulację skurczów mięśni. Pompa protonowa (H⁺-ATPaza) umożliwia roślinom pobieranie substancji odżywczych i zapewnia koordynację ruchów komórek szparkowych dzięki sprzężeniu transportu kationów wodoru (H⁺) i potasu (K⁺) przez błonę komórkową. Kationy żelaza (Fe²⁺, Fe³⁺) są składnikami białek przenośnikowych biorących udział w transporcie tlenu (hemoglobiny, mioglobiny) oraz cytochromów pełniących ważną rolę w oddychaniu komórkowym (łańcuchu oddechowym).

Rola kationów potasu (K⁺) w otwieraniu i zamykaniu szparek. (infografika/Shutterstock)

Zastosowania kationów

Jony obdarzone ładunkiem dodatnim są powszechnie wykorzystywane wielu dziedzinach nauki, medycynie, farmacji, technice oraz przemyśle. Kationy mają zastosowanie w analizie chemicznej do identyfikacji, określania składu pierwiastkowego i izotopowego oraz struktury  cząsteczkowej związków chemicznych lub wyodrębniania określonej substancji chemicznej ze złożonych mieszanin (np. spektrometria masowa, chromatografia jonowymienna). Stopy lub roztwory substancji jonowych służą do otrzymywania pierwiastków metalicznych (np. litu, sodu, potasu) i związków chemicznych (np. wodorotlenku sodu) na drodze elektrolizy. Ciekłe substancje jonowe (ciecze jonowe) mają zastosowanie w analizie chemicznej (np. środowisko reakcji Friedela-Craftsa), elektrochemii (np. elektrolity, akumulatory litowo-jonowe, ogniwa paliwowe, kondensatory elektrochemiczne), farmacji (np. leki, nośniki substancji leczniczych) i wielu gałęziach przemysłu (np. smary, rozpuszczalniki, plastyfikatory, środki dyspergujące). Kationy są składnikami nawozów mineralnych (sztucznych) (np. potasowych, wapniowych, magnezowych, amonowych); używane są w produkcji środków biobójczych (np. pestycydów, zapraw nasiennych). Wiązki ciężkich jonów (np. kationów wodoru, H⁺) mają zastosowanie medyczne – wykorzystywane są w radioterapii do niszczenia komórek nowotworowych.

Indeks nazw
Szukaj lub wybierz według alfabetu
A B C D E F G H I J K L Ł M N O P Q R S Ś T U V W X Y Z Ź Ż
Znaki ekologiczne
ECOCERT
ECOCERT
4.8/5 - (19 votes)
Default Banner Post Banner
Subscribe
Powiadom o
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments