Iont

Rozbalit box

Obsah boxu

Iont (z řeckého ión, v překladu "poutník") je elektricky nabitá částice, která vzniká z elektricky neutrálního atomu nebo molekuly přijetím nebo ztrátou jednoho či více elektronů. Tento proces se nazývá ionizace. Protože se počet protonů v atomovém jádře nemění, získá iont kladný nebo záporný elektrický náboj.

Ionty hrají klíčovou roli v chemii, fyzice i biologii. Jsou základem mnoha chemických reakcí, včetně iontových vazeb, a jsou nezbytné pro vedení elektrického proudu v elektrolytech. V živých organismech jsou ionty (často nazývané elektrolyty) zásadní pro přenos nervových vzruchů, svalovou kontrakci a udržování rovnováhy tekutin.

⚛️ Definice a základní vlastnosti

Iont je definován jako atom nebo molekula, kde se celkový počet elektronů liší od celkového počtu protonů.

• Kation – Kladně nabitý iont, který vzniká, když neutrální atom nebo molekula ztratí jeden nebo více elektronů. Má tedy více protonů než elektronů. Příklady jsou kation sodný (Na⁺), vápenatý (Ca²⁺) nebo amonný (NH₄⁺).
• Anion – Záporně nabitý iont, který vzniká, když neutrální atom nebo molekula přijme jeden nebo více elektronů. Má tedy více elektronů než protonů. Příklady jsou anion chloridový (Cl⁻), oxidový (O²⁻) nebo uhličitanový (CO₃²⁻).

Náboj iontu se zapisuje jako horní index za chemickým vzorcem částice (např. Mg²⁺, F⁻).

Ionty mohou být tvořeny jedním atomem (jednoatomové ionty, např. K⁺, S²⁻) nebo více atomy vázanými kovalentními vazbami (víceatomové ionty nebo také molekulové ionty, např. dusičnanový NO₃⁻ nebo hydroxidový OH⁻).

⏳ Historie objevu

Ačkoliv s jevy souvisejícími s ionty experimentovali vědci již dříve, koncept a název "iont" zavedl anglický vědec Michael Faraday kolem roku 1834. Při studiu elektrolýzy (rozkladu látek elektrickým proudem) si všiml, že některé látky vedou elektřinu, když jsou rozpuštěny ve vodě, a že se hmota pohybuje směrem k elektrodám. Tyto putující částice nazval "ionty" (poutníci).

Teoretický základ pro vysvětlení existence iontů položil až švédský chemik Svante Arrhenius v roce 1884 svou teorií elektrolytické disociace. Navrhl, že některé sloučeniny (kyseliny, zásady a soli) se při rozpouštění ve vodě spontánně štěpí na volně se pohybující nabité ionty. Za tuto revoluční myšlenku, která byla zpočátku přijímána s nedůvěrou, obdržel v roce 1903 Nobelovu cenu za chemii. Další významné objevy, jako byl objev elektronu J. J. Thomsonem v roce 1897, pomohly plně pochopit fyzikální podstatu vzniku iontů.

🔥 Vznik iontů (ionizace)

Proces vzniku iontu z neutrální částice se nazývá ionizace. Opačný děj, při kterém iont přijme či odevzdá elektron a stane se opět neutrální částicí, se označuje jako rekombinace. K ionizaci může dojít několika způsoby:

• Srážková ionizace: Atom nebo molekula získá energii srážkou s jinou rychle se pohybující částicí (např. elektronem, fotonem, jiným iontem). Pokud je předaná energie dostatečně vysoká, může dojít k vyražení elektronu.
• Fotoionizace: K ionizaci dochází pohlcením fotonu elektromagnetického záření (např. ultrafialového, rentgenového nebo záření gama). Energie fotonu musí být vyšší než ionizační energie atomu.
• Termická ionizace: Při velmi vysokých teplotách (tisíce kelvinů) mají částice tak vysokou kinetickou energii, že při vzájemných srážkách dochází k odtržení elektronů. Tímto způsobem vzniká plazma.
• Chemická ionizace: K přenosu elektronů dochází během chemické reakce, například při rozpouštění solí ve vodě, kdy polární molekuly vody rozruší iontovou mřížku krystalu.

Energie potřebná k odtržení elektronu z neutrálního atomu v plynném stavu se nazývá ionizační energie (nebo ionizační potenciál). Naopak energie uvolněná při přijetí elektronu neutrálním atomem se nazývá elektronová afinita.

🧪 Význam v chemii

Ionty jsou fundamentální pro mnoho oblastí chemie:

• Iontová vazba: Jedná se o typ chemické vazby založené na elektrostatické přitažlivosti mezi kationty a anionty. Je typická pro sloučeniny vznikající reakcí kovů (nízká ionizační energie) a nekovů (vysoká elektronová afinita), jako je například chlorid sodný (NaCl).
• Elektrolyty: Roztoky nebo taveniny obsahující volně pohyblivé ionty, které jsou schopny vést elektrický proud. Tato vlastnost je základem elektrochemie, včetně galvanických článků (baterií) a elektrolýzy.
• Kyseliny a zásady: Podle Arrheniovy teorie jsou kyseliny látky, které ve vodném roztoku uvolňují vodíkové kationty (H⁺), a zásady látky uvolňující hydroxidové anionty (OH⁻).
• Plazma: Čtvrté skupenství hmoty, které je tvořeno vysoce ionizovaným plynem složeným z iontů a volných elektronů. Tvoří až 99 % pozorované hmoty ve vesmíru, včetně hvězd a mlhovin.

🧬 Význam v biologii

V biologických systémech jsou ionty, často označované jako elektrolyty, nezbytné pro životní funkce. Udržování přesné koncentrace iontů uvnitř i vně buněk (tzv. iontová rovnováha) je klíčové.

• Nervový systém: Přenos nervových vzruchů (akční potenciál) je založen na rychlém pohybu iontů Na⁺ a K⁺ přes membránu neuronů.
• Svalová činnost: Svalové stahy jsou spouštěny uvolněním vápenatých iontů (Ca²⁺) uvnitř svalových buněk.
• Regulace tekutin a pH: Ionty jako Na⁺, K⁺ a Cl⁻ hrají zásadní roli v regulaci osmotického tlaku a udržování acidobazické rovnováhy v těle.
• Buněčné procesy: Mnoho enzymů vyžaduje pro svou aktivitu přítomnost specifických iontů (např. Mg²⁺, Zn²⁺) jako kofaktorů.
• Transport látek: Ionty pomáhají přenášet živiny do buněk a odvádět odpadní látky.

Mezi nejdůležitější ionty v lidském těle patří sodný (Na⁺), draselný (K⁺), vápenatý (Ca²⁺), hořečnatý (Mg²⁺), chloridový (Cl⁻), hydrogenuhličitanový (HCO₃⁻) a fosforečnanový (PO₄³⁻).

💡 Využití v praxi

Vlastnosti iontů se využívají v široké škále technologií a průmyslových odvětví:

• Baterie a akumulátory: Všechny typy baterií, od klasických tužkových až po moderní lithium-iontové, fungují na principu řízeného pohybu iontů mezi elektrodami.
• Hmotnostní spektrometrie: Analytická technika, která ionizuje chemické látky a následně měří poměr jejich hmotnosti k náboji, což umožňuje přesnou identifikaci a kvantifikaci látek.
• Čištění vody: Technologie jako iontová výměna se používají ke změkčování vody (odstranění Ca²⁺ a Mg²⁺ iontů) nebo k odstraňování těžkých kovů a dalších nečistot.
• Polovodičový průmysl: Iontová implantace je klíčový proces při výrobě mikroprocesorů a dalších elektronických součástek, kde jsou ionty "vstřelovány" do materiálu pro změnu jeho vodivosti.
• Osvětlení: V zářivkách a neonech prochází elektrický proud plynem, ionizuje ho a vytváří plazma, které emituje světlo.
• Naprašování: Technologie pro nanášení tenkých vrstev materiálu, kde jsou ionty plynu (např. argonu) urychlovány na materiál (target), ze kterého vyrážejí atomy, jež následně pokrývají požadovaný předmět.

👶 Pro laiky: Iont jako fotbalový fanoušek

Představte si atom jako fotbalový stadion, který je dokonale neutrální a v klidu. Na tribunách (elektronových obalech) sedí přesně tolik domácích fanoušků (elektronů), kolik je pořadatelů (protonů) v centru hřiště (v jádře). Vše je v rovnováze.

• Vznik kationtu (ztráta fanouška): Najednou jeden z fanoušků (elektron) dostane skvělý nápad a rozhodne se přeběhnout na jiný, atraktivnější stadion (k jinému atomu). Náš stadion teď má o jednoho fanouška méně, než je pořadatelů. Vzniká tak mírný přebytek "pozitivní" pořadatelské síly. Stadion se stal kationtem – je kladně nabitý a trochu "smutný", protože mu někdo chybí.

• Vznik aniontu (příchod fanouška navíc): Naopak na sousední stadion, který měl volné místo, právě dorazil onen fanoušek (elektron). Tento stadion má teď o jednoho fanouška více, než je pořadatelů. Převládá "negativní" energie jásajícího davu. Stadion se stal aniontem – je záporně nabitý a má "radost" z nového přírůstku.

Tyto nabité stadiony (ionty) se pak k sobě chovají jako magnety. Kladně nabitý stadion (kation) bude přitahovat ten záporně nabitý (anion), protože si chtějí navzájem vypomoct a obnovit rovnováhu. A právě tato přitažlivá síla je základem iontové vazby, která drží pohromadě třeba krystalky kuchyňské soli.

🌌 Zajímavosti

• Slovo zwitterion označuje molekulu (typicky aminokyselinu), která na různých místech nese jak kladný, tak záporný náboj, ale celkově je elektricky neutrální.
• Většina hmoty ve vesmíru existuje ve formě plazmatu, tedy ve stavu ionizovaných částic.
• "Negativní ionty" (anionty) ve vzduchu, které vznikají například u vodopádů nebo po bouřce, jsou někdy spojovány s pocitem svěžesti a pozitivními účinky na zdraví, ačkoliv vědecké důkazy jsou stále předmětem diskuzí.

Zdroje

Co je to Iont? - Nano Technologie NT1 Ion - Wikipedie Ionty a atomové skupiny - Procvič si názvosloví Ion - VMD drogerie a parfumerie Ionizace - Wikipedie Plazma :: MEF - Encyklopedie fyziky ion | NZIP - Národní zdravotnický informační portál CO JSOU IONTY? - Salon Online Ionizace - WikiSkripta Plazma - Wikipedie Plazma | Eduportál Techmania Ionizační techniky PLASMA - ČTVRTÉ SKUPENSTVÍ HMOTY - Extreme Lab Ionty - kationt a aniont, Základní stavba látek, Fyzika ZŠ - YouTube Jaký je náboj aniontu a kationtu? - Odpovědi.cz Plazma – čtvrté skupenství hmoty - Fyzika - Referáty - Odmaturuj.cz Názvosloví iontů | Výpisky z chemie na Edisco.cz Molekulové ionty (článek) - Khan Academy STANOVENÍ IONTŮ 2.4.1 Názvy kationtů - IS MUNI - Masarykova univerzita Kationt a Aniont - Poradte.cz Anion: tvorba, vlastnosti a typy - Maestrovirtuale.com Atomy a ionty: Odhalení rozdílů mezi nima - Doučuji.eu Elektrolyty (ionty) a jejich důležitost pro lidské zdraví - Blog | eFIA.cz Joseph John Thomson - Wikipedie Kdo a kdy objevil, že existují ionty, kationty a anionty? | Odpovědi.cz 10. skupina - Wikipedie Ionty v pitné vodě - WikiSkripta Text práce 1.21 MB - VUT Revoluce v čištění vody: Membrána odstraní nebezpečné bakterie i těžké kovy Baterie s polopevným elektrolytem se stávají realitou. Přináší četné výhody - Auto.cz Naprašování - Wikipedie Proč jsou pevné start-stop baterie bezpečné, dlouhotrvající a bezúnikové - Lipower