Kationt

Rozbalit box

Obsah boxu

Kationt (někdy též kation) je iont s kladným elektrickým nábojem. Vzniká z elektricky neutrálního atomu nebo molekuly odevzdáním jednoho či více elektronů z valenční sféry. V důsledku úbytku elektronů převládne v částici kladný náboj protonů v atomovém jádře a celá částice se stává kladně nabitou. Kationty jsou typické především pro kovy, ale mohou být tvořeny i nekovy (např. vodíkový kationt H⁺) nebo celými molekulami (např. amonný kationt NH₄⁺).

Název pochází z řeckého slova κατιόν (kation), což znamená „jdoucí dolů“. Tento termín zavedl Michael Faraday v roce 1834 a odkazuje na pohyb kationtů směrem k záporně nabité elektrodě – katodě – během elektrolýzy. Protějškem kationtu je záporně nabitý aniont.

📜 Historie a objev

Koncept iontů, a tedy i kationtů, je neoddělitelně spjat s výzkumem elektřiny a chemie v 19. století.

🏛️ Průkopnická práce Michaela Faradaye

Anglický vědec Michael Faraday prováděl v 30. letech 19. století rozsáhlé experimenty s elektrolýzou, tedy rozkladem chemických látek elektrickým proudem. Zjistil, že některé látky rozpuštěné ve vodě vedou elektrický proud a přitom se rozkládají. Aby mohl tyto jevy popsat, zavedl novou terminologii. Ve spolupráci s Williamem Whewellem vytvořil pojmy jako elektroda, elektrolyt, anoda, katoda, aniont a právě kationt. Faraday správně předpokládal, že elektrický proud v roztocích je přenášen nabitými částicemi, které nazval ionty. Kationty definoval jako částice putující ke katodě (záporné elektrodě).

🧪 Arrheniova teorie disociace

Na Faradayovu práci navázal na konci 19. století švédský chemik Svante Arrhenius. Ve své disertační práci z roku 1884 představil revoluční teorii elektrolytické disociace. Podle ní se molekuly některých látek (kyselin, zásad a solí) při rozpuštění ve vodě samovolně štěpí (disociují) na kladně nabité kationty a záporně nabité anionty. Tato teorie, zpočátku přijímaná s nedůvěrou, přesně vysvětlila, proč roztoky těchto látek vedou elektrický proud, a stala se základem moderní fyzikální chemie a elektrochemie. Arrhenius za ni v roce 1903 obdržel Nobelovu cenu za chemii.

⚛️ Vznik a vlastnosti

Kationty vznikají procesem zvaným ionizace. Tento proces vyžaduje dodání energie, která se označuje jako ionizační energie.

💥 Vznik kationtu

Kationt vzniká, když neutrální atom nebo molekula ztratí jeden nebo více valenčních elektronů. Tento proces lze schematicky zapsat takto:

X → X⁺ + e⁻ (vznik kationtu s nábojem +1)

X⁺ → X²⁺ + e⁻ (vznik kationtu s nábojem +2)

K odevzdání elektronu dochází nejsnáze u prvků s nízkou ionizační energií, což jsou především kovy, zejména alkalické kovy (např. sodík, draslík) a kovy alkalických zemin (např. vápník, hořčík). Tyto prvky mají tendenci odevzdávat elektrony, aby dosáhly stabilní elektronové konfigurace nejbližšího vzácného plynu.

📏 Vlastnosti kationtů

• Kladný náboj: Všechny kationty mají kladný elektrický náboj. Velikost náboje odpovídá počtu odevzdaných elektronů (např. Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺).
• Velikost (iontový poloměr): Kationt je vždy menší než jeho původní neutrální atom. Důvodem je, že po odevzdání elektronů se zmenší počet elektronových slupek a zároveň zbývající elektrony jsou silněji přitahovány kladným nábojem jádra.
• Reaktivita: Kationty jsou reaktivní částice, které se snadno slučují s anionty za vzniku iontových vazeb v krystalových mřížkách solí. V elektrickém poli se pohybují směrem k záporné elektrodě (katodě).
• Barva: Zatímco kationty nepřechodných kovů jsou většinou bezbarvé (např. Na⁺, Ca²⁺), kationty přechodných kovů jsou často barevné (např. Cu²⁺ je modrý, Fe³⁺ je žlutohnědý, MnO₄⁻ je fialový - zde je ale barevný aniont). Barva souvisí s přechody elektronů mezi d-orbitaly.

nomenclaturní pravidla

Názvosloví kationtů se řídí několika pravidly:

• Jednoatomové kationty: Název se tvoří z názvu prvku a koncovky odpovídající oxidačnímu číslu (náboji).
  • -ný (I): sodný kationt (Na⁺)
  • -natý (II): vápenatý kationt (Ca²⁺)
  • -itý (III): hlinitý kationt (Al³⁺)
  • -ičitý (IV): cíničitý kationt (Sn⁴⁺)
  • -ečný/-ičný (V): vanadičný kationt (V⁵⁺)
  • -ový (VI): chromový kationt (Cr⁶⁺)
  • -istý (VII): manganistý kationt (Mn⁷⁺)
  • -ičelý (VIII): osmičelý kationt (Os⁸⁺)
• Víceatomové (polyatomové) kationty: Mají své zavedené názvy, např. amonný kationt (NH₄⁺) nebo oxoniový kationt (H₃O⁺).

💡 Příklady a typy kationtů

Kationty lze dělit podle počtu atomů, ze kterých jsou složeny.

Jednoatomové kationty

Jsou tvořeny jediným atomem, který ztratil elektrony.

• Kationty alkalických kovů (náboj +1):
  • Lithný kationt (Li⁺)
  • Sodný kationt (Na⁺)
  • Draselný kationt (K⁺)
• Kationty kovů alkalických zemin (náboj +2):
  • Hořečnatý kationt (Mg²⁺)
  • Vápenatý kationt (Ca²⁺)
  • Barnatý kationt (Ba²⁺)
• Kationty přechodných kovů (různé náboje):
  • Železnatý kationt (Fe²⁺) a železitý kationt (Fe³⁺)
  • Měďný kationt (Cu⁺) a měďnatý kationt (Cu²⁺)
  • Stříbrný kationt (Ag⁺)
  • Zinečnatý kationt (Zn²⁺)
• Ostatní kovové kationty:
  • Hlinitý kationt (Al³⁺)
  • Olovnatý kationt (Pb²⁺)

Víceatomové kationty

Jsou tvořeny dvěma nebo více atomy spojenými kovalentní vazbou, přičemž celá skupina nese kladný náboj.

• Amonný kationt (NH₄⁺): Vzniká protonací amoniaku (NH₃). Je základem amonných solí, které se používají jako hnojiva.
• Oxoniový kationt (H₃O⁺, též hydronium): Vzniká navázáním protonu (H⁺) na molekulu vody (H₂O). Je nositelem kyselosti ve vodných roztocích kyselin.
• Rtuťný kationt (Hg₂²⁺): Zvláštní případ, kde jsou dva atomy rtuti spojeny a společně nesou náboj +2.

🌍 Význam a využití

Kationty hrají klíčovou roli v přírodě, biologii, průmyslu i každodenním životě.

🧬 Biologický význam

Kationty jsou nezbytné pro fungování živých organismů.

• Na⁺ a K⁺: Kationty sodíku a draslíku jsou klíčové pro udržování membránového potenciálu buněk a pro šíření nervových vzruchů prostřednictvím sodno-draselné pumpy.
• Ca²⁺: Vápenaté kationty jsou základní stavební složkou kostí a zubů. Hrají také zásadní roli při svalové kontrakci, srážení krve a přenosu signálů uvnitř buněk.
• Mg²⁺: Hořečnaté kationty jsou kofaktorem stovek enzymů v těle a jsou nezbytné pro syntézu ATP a DNA. V rostlinách je Mg²⁺ centrálním atomem v molekule chlorofylu.
• Fe²⁺/Fe³⁺: Kationty železa jsou součástí hemoglobinu, kde vážou a přenášejí kyslík v krvi.

⚙️ Průmyslové a technické využití

• Baterie: Pohyb kationtů je základem funkce všech galvanických článků a akumulátorů. Například v lithium-iontových bateriích putují kationty Li⁺ mezi elektrodami.
• Elektrolýza: Průmyslová výroba mnoha kovů, jako je hliník (z taveniny bauxitu) nebo sodík, je založena na redukci jejich kationtů na katodě.
• Úprava vody: V iontoměničích (katexech) se využívá výměny "tvrdých" kationtů (Ca²⁺, Mg²⁺) za "měkké" kationty (Na⁺ nebo H⁺) k změkčování vody.
• Stavebnictví: Sloučeniny obsahující kationty jako Ca²⁺ jsou základem cementu a vápna.

geologistický význam

Kationty jsou základními stavebními kameny většiny minerálů a hornin. Například křemičitany, nejrozšířenější skupina minerálů v zemské kůře, jsou tvořeny křemičitanovými anionty spojenými s různými kationty (např. K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Al³⁺).

🧪 Pro laiky

Představte si atom jako malou sluneční soustavu. Jádro je jako Slunce a má kladný náboj. Kolem něj obíhají planety – elektrony, které mají záporný náboj. V normálním, neutrálním stavu je počet kladných nábojů v jádře stejný jako počet záporných elektronů, takže se jejich náboje navzájem vyruší a atom je "neutrální".

Kationt vznikne, když tento atom z nějakého důvodu "ztratí" jednu ze svých planet (elektron). Najednou má v jádře více kladných nábojů než záporných elektronů na oběžných drahách. Výsledkem je, že celá částice získá kladný náboj. Je to jako tým, kde odejde jeden hráč se záporným postojem – celý tým se stane pozitivnějším.

Tento nově vzniklý kationt je trochu "neúplný" a aktivně hledá partnera se záporným nábojem (aniont), aby se opět stal stabilním. Proto se kationty a anionty silně přitahují a tvoří spolu sloučeniny, jako je například kuchyňská sůl, která je tvořena sodnými kationty (Na⁺) a chloridovými anionty (Cl⁻).

Šablona:Aktualizováno