anion

Anion, jon ujemny – pojedynczy atom lub cząsteczka (grupa atomów połączonych wiązaniami chemicznymi) obdarzone ujemnym ładunkiem elektrycznym, powstałe w wyniku przyjęcia elektronów przez określony atom lub cząsteczkę wyjściową. Aniony, jako jony cechujące się nadmiarem elektronów w stosunku do protonów, podczas elektrolizy migrują w kierunku przeciwnie naładowanej elektrody dodatniej (anody). Aniony powstają głównie w wyniku redukcji atomów pierwiastków niemetalicznych (np. chloru) lub rozpadu cząsteczek związków chemicznych (zasad, kwasów, soli) pod wpływem rozpuszczalnika (dysocjacji elektrolitycznej).

Zróżnicowane są na aniony proste zbudowane z atomów jednego pierwiastka chemicznego (np. chlorki, Cl^––) oraz aniony złożone składające się z atomów kilku pierwiastków chemicznych (np. azotany, NO₃^––). Aniony odpowiedzialne są za regulację gospodarki wodno-elektrolitowej organizmów żywych (osmoregulację) i żywienie mineralne roślin (pobieranie niezbędnych składników odżywczych z gleby). Mają zastosowanie w wielu dziedzinach nauki, medycynie i różnych gałęziach przemysłu (np. przemyśle chemicznym).

Powstawanie anionów

Aniony, czyli jony obdarzone ładunkiem ujemnym, powstają w wyniku jonizacji polegającej na przyłączaniu jednego lub większej liczby elektronów do elektrycznie obojętnych atomów pojedynczych lub złożonych cząsteczek związków chemicznych. Proces tworzenia anionów zależy w głównej mierze od zdolności atomów lub cząsteczek do przyjmowania elektronów (powinowactwa elektronowego). Tendencja do tworzenia anionów jest szczególnie silnie zaznaczona wśród atomów pierwiastków chemicznych z grupy 15 (azotowców), grupy 16 (tlenowców) i grupy 17 układu okresowego (fluorowców) przyjmujących elektrony w celu uzyskania pełnego oktetu elektronów walencyjnych (trwałej konfiguracji gazu szlachetnego).

Jonizacja, czyli powstawanie anionów (jonów ujemnych) z obojętnych atomów i cząsteczek, może zachodzić pod wpływem:

• wzajemnych zderzeń obojętnych elektrycznie atomów lub cząsteczek związków chemicznych pod wpływem wysokiej temperatury (tzw. jonizacja termiczna);
• wybicia elektronu z powłok atomowych w wyniku absorpcji kwantu promieniowania elektromagnetycznego (fotonu) o energii równej lub wyższej niż energia jonizacji atomów lub cząsteczek związków chemicznych (tzw. fotojonizacja);
• zderzenia atomów i cząsteczek związków chemicznych z cząstkami promieniowania cząsteczkowego o wysokiej energii (np. protonami, elektronami, cząstkami α);
• pola elektrycznego nadającego naładowanym cząstkom (np. elektronom, jonom) energię równą lub wyższą od energii jonizacji atomów lub cząsteczek związków chemicznych (tzw. jonizacja w polu elektrycznym);
• przeniesienia elektronów między atomami lub cząsteczkami związków chemicznych (donorami i akceptorami), np. reakcja atomów sodu (Na) i chloru (Cl) z wytworzeniem kationu sodu (Na⁺) i anionu chlorkowego (Cl^–) (tzw. jonizacja chemiczna);
• samorzutnego rozpadu ciekłych roztworów substancji jonowych (tzw. elektrolitów) (np. kwasów, zasad, soli) do kationów i anionów w wyniku oddziaływania cząsteczek rozpuszczalnika (np. wody) (tzw. dysocjacja elektrolityczna
• rozszczepienia silnie spolaryzowanych wiązań atomowych w wyniku oddziaływania rozpuszczalnika, np. dysocjacja elektrolityczna wody w roztworze wodnym do kationu hydroniowego (H₃O⁺) i anionu hydroksylowego (OH⁻) (tzw. autodysocjacja wody).

Aniony zbudowane z pojedynczych atomów (tzw. aniony proste) powstają głównie w wyniku przyjmowania elektronów na zewnętrzną powłokę elektronową (tzw. powłokę walencyjną). Proces ten zachodzi wskutek przenoszenia elektronów pomiędzy obojętnymi elektrycznie atomami metali (np. atomem sodu, Na) i atomami niemetali (np. atomem chloru, Cl). Aniony zbudowane z cząsteczek (tzw. aniony złożone) tworzą się w wyniku dysocjacji elektrolitycznej kwasów, zasad i soli pod wpływem oddziaływania cząsteczek rozpuszczalnika (np. wody).

Tworzenie się kationu sodu (Na⁺) i anionu chlorkowego (Cl¯) w wyniku przeniesienia elektronu z atomu sodu (Na) (donora) na atom chloru (Cl) (akceptor). (infografika/Shutterstock)

Właściwości anionów

Anion (gr. anión – idący w górę) jest jonem obdarzonym ujemnym ładunkiem elektrycznym, występującym w postaci pojedynczego atomu bądź cząsteczki (grupy atomów połączonych wiązaniami chemicznymi), który tworzy się w wyniku przyjęcia jednego lub kilku elektronów przez odpowiedni atom lub cząsteczkę wyjściową. Anion, jako ujemnie naładowana cząstka, w trakcie elektrolizy (rozkładu substancji chemicznej pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego) migruje w kierunku przeciwnie naładowanej elektrody dodatniej (anody). Aniony mogą występować w stanie wolnym (w fazie gazowej) lub tworzyć mniej lub silniej związane pary jonowe z przeciwnie naładowanymi jonami dodatnimi (czyli kationami).

Anion, jako ujemnie naładowana cząstka, migruje w trakcie elektrolizy w kierunku przeciwnie naładowanej elektrody dodatniej (anody). (infografika/Shutterstock)

Aniony, w zależności od budowy chemicznej swych cząstek, zróżnicowane są na:

• aniony proste (jednoatomowe) – aniony składające się wyłącznie z atomów jednego pierwiastka chemicznego, np. anion fluorkowy (F^–), anion chlorkowy (Cl^–), anion bromkowy (Br^–), anion jodkowy (I^–), anion azotkowy (N³^–), anion tlenkowy (O²^––), anion fosforkowy, anion siarczkowy (S²^–
• aniony złożone (wieloatomowe, cząsteczkowe) – aniony składające się z atomów kilku pierwiastków chemicznych, np. anion węglanowy (CO₃²^–), anion hydroksylowy (OH^–), anion azotanowy (V) (NO₃^–), anion siarczanowy (VI) (SO₄²⁻), anion fosforanowy (PO₄³^–), anion cyjankowy (CN^–), anion octanowy (CH₃COO^–).

Przykładowo:

• promień jonowy pojedynczego atomu chloru (Cl): r(Cl) = 99 pm, promień jonowy anionu chlorkowego (Cl^–): r(Cl^–) = 181 pm;
• promień jonowy pojedynczego atomu siarki (S): r(S) = 104 pm; promień jonowy anionu siarczkowego (S²^–): r(S²^–) = 184 pm

Anionami są wszystkie reszty kwasowe beztlenowych i tlenowych kwasów nieorganicznych (np. F^–, Cl⁻, S²⁻, CN^–, SO₃²^–, SO₄²⁻, NO₂^–, NO₃⁻, CO₃², PO₄³^–, ClO₄⁻), reszty kwasowe kwasów organicznych (np. HCOO^–, CH₃COO^–) i jon hydroksylowy (wodorotlenkowy (OH^–). Charakter ujemnie naładowanych jonów mają również jony obojnacze aminokwasów w roztworach zasadowych (np. jon obojnaczy glicyny: ⁺H₃N–CH₂–COO^– + OH^– → H₂N–CH₂–COO^– + H₂O).

Porównanie rozmiarów promieni jonowych atomów pierwiastków i ich anionów. (infografika/Shutterstock)

Wiązania jonowe

Aniony, jako jony obdarzone ładunkiem ujemnym, przyciągają jony naładowane dodatnio (kationy) za pośrednictwem sił oddziaływania elektrostatycznego (oddziaływania Coulomba) o nieskończonym zasięgu (rozchodzących się równomiernie we wszystkich kierunkach). Wzajemne interakcje jonów o ładunkach przeciwnych (tzw. jonów różnoimiennych) skutkują utworzeniem wiązań jonowych, mocno utrzymujących jony w węzłach sieci krystalicznej.

Wiązania jonowe (heteropolarne, elektrowalencyjne, biegunowe) tworzą się:

• między atomami pierwiastków o zróżnicowanej zdolności do przyciągania elektronów (tzw. elektroujemności), czyli atomami pierwiastków elektrododatnich skłonnych do oddawania elektronów (metali) i atomami pierwiastków elektroujemnych skłonnych do przyjmowania elektronów (niemetali
• w wyniku przejścia jednego lub większej ilości elektronów z atomu pierwiastka elektrododatniego (metalu) na atom pierwiastka elektroujemnego (niemetalu) pod wpływem stosunkowo niskiej energii jonizacji atomów metali i stosunkowo dużego powinowactwa elektronowego niemetali;
• pod wpływem oddziaływania sił przyciągania elektrostatycznego pomiędzy jonami dodatnimi (kationami) powstałymi w wyniku oddania elektronów przez atomy metali (utleniania) i jonami ujemnymi (anionami) powstałymi w wyniku przyjęcia elektronów przez atomy niemetali (redukcji).

Substancje jonowe (np. sole), powstające wskutek przyciągania elektrostatycznego pomiędzy przeciwnie naładowanymi kationami i anionami, są ciałami stałymi o krystalicznej strukturze przestrzennej (temp. 15-25°C), cechującymi się wysokimi temperaturami topnienia i wrzenia. Stopy i roztwory wodne substancji jonowych, dzięki obecności swobodnie poruszających się nośników ładunku (jonów), wykazują zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego.

Wiązanie jonowe w cząsteczce chlorku sodu (NaCl). (infografika/Shutterstock)

Znaczenie biologiczne anionów

Aniony są cząstkami spełniającymi szereg istotnych funkcji biologicznych niezbędnych dla prawidłowego funkcjonowania organizmów żywych (np. roślin i zwierząt). Aniony chlorkowe (Cl^–) odpowiadają za regulację gospodarki wodno-elektrolitowej (tzw. osmoregulację) za pośrednictwem różnych mechanizmów utrzymujących równowagę wodną i odpowiednie stężenie substancji rozpuszczonej (ciśnienie osmotyczne płynów ustrojowych). Chlorki (Cl^–) wraz z siarczanami (VI) (SO₄²^–), wodorowęglanami (HCO₃^–), fosforanami (PO₄³⁻), kationami wodoru (H⁺), sodu (Na⁺) i potasu (K⁺) biorą czynny udział w utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej organizmu. Aniony chlorkowe (Cl^–) wydzielane przez komórki okładzinowe błony śluzowej żołądka z kationami wodoru (H⁺) tworzą kwas solny (HCl) zapewniający kwaśne środowisko dla enzymów trawiących białka (pepsyny). Aniony wodorowęglanowe (HCO₃^–) z kolei podnoszą pH soku żołądkowego po zakończeniu procesów trawiennych i neutralizują kwaśną treść pokarmową przechodzącą z żołądka do dwunastnicy. Aniony chlorkowe (Cl^–), wodorowęglanowe (HCO₃^–), siarczanowe (SO₄²^–), azotanowe (NO₃^–), diwodorofosforanowe (H₂PO₄^–) i wodorofosforanowe (HPO₄²^–) pełnią istotną rolę w odżywianiu mineralnym roślin umożliwiając im pobieranie niezbędnych składników odżywczych z roztworu glebowego.

Zastosowania anionów

Jony obdarzone ładunkiem ujemnym są powszechnie wykorzystywane w wielu dziedzinach nauki, medycynie, technice i różnych gałęziach przemysłu. Aniony stosowane są w analizie chemicznej do identyfikacji, ustalania struktury cząsteczki i składu chemicznego związków chemicznych bądź wyodrębniania ze złożonych mieszanin określonej substancji chemicznej (spektrometria masowa, chromatografia jonowymienna). W przemyśle chemicznym aniony wykorzystywane są głównie jako środki utleniające, np. chlorany (I), tzw. podchloryny (ClO^–––) lub dichromiany (Cr₂O₇²^––), wodorofosforany (HPO₄²^–), diwodorofosforany (H₂PO₄^–), używane są do produkcji nawozów mineralnych (sztucznych) wzbogacających glebę w składniki niezbędne dla prawidłowego wzrostu i rozwoju roślin (makroelementy). Aniony siarczanowe (IV), tzw. siarczyny (SO₃²^–), wykorzystywane są w przemyśle spożywczym w charakterze konserwantów i wzmacniaczy smaku (np. w wyrobach winiarskich, suszonych owocach, przetworach owocowo-warzywnych). Aniony manganianowe (IV) (MnO₄^–) i aniony chloranowe (I) (ClO^–) są substancjami o działaniu antyseptycznym używanymi do dezynfekcji i uzdatniania wody. Aniony na skalę przemysłową mają również zastosowanie w produkcji czujników przeciwpożarowych, jonizatorów powietrza oraz wskaźników czystości wody. 

Aniony chlorkowe (Cl¯) i kationy wodoru (H⁺) wydzielane przez komórki okładzinowe żołądka tworzą kwas solny (HCl) zapewniający kwaśne środowisko dla enzymów trawiących białka (pepsyny). (infografika/Shutterstock)