Kation

Rozbalit box

Obsah boxu

Kation (někdy též kationt) je iont s kladným elektrickým nábojem. Jedná se o atom nebo skupinu atomů (molekulu), která v elektronovém obalu obsahuje méně elektronů než protonů v atomových jádrech. Kationty vznikají typicky z neutrálních atomů odevzdáním jednoho či více valenčních elektronů. Tento proces se nazývá ionizace.

Název pochází z řeckého slova κατιόν (kation), což znamená "jdoucí dolů". Termín zavedl Michael Faraday v roce 1834 pro částici, která je při elektrolýze přitahována k záporně nabité elektrodě – katodě. Protikladem kationtu je záporně nabitý anion.

Kationty jsou základními stavebními kameny iontových sloučenin (např. soli) a hrají klíčovou roli v chemii, biologii i geologii.

⚛️ Fyzikální a chemické vlastnosti

Kationty se od svých původních neutrálních atomů liší v několika klíčových vlastnostech:

• Náboj: Mají čistý kladný náboj, jehož velikost odpovídá počtu odevzdaných elektronů. Značí se jako horní index za symbolem prvku (např. Na⁺, Mg²⁺, Fe³⁺).
• Velikost (iontový poloměr): Kation je vždy menší než jeho mateřský atom. Důvodem je, že odevzdáním elektronů (často z celé vnější elektronové slupky) se zmenší elektronový obal. Zbývající elektrony jsou navíc silněji přitahovány k jádru, protože kladný náboj jádra nyní působí na menší počet elektronů, čímž se snižuje vzájemné odpuzování elektronů a dochází ke smrštění obalu.
• Reaktivita: Jako kladně nabité částice jsou přitahovány k záporným nábojům. V roztocích se pohybují směrem k záporné elektrodě (katoda). Snadno reagují s anionty za vzniku iontových vazeb nebo s molekulami, které mají volné elektronové páry (nukleofily).
• Elektronová konfigurace: Kationty mají tendenci vytvářet stabilní elektronové konfigurace, které často odpovídají konfiguraci předchozího vzácného plynu v periodické tabulce. Například sodík (Na) odevzdáním jednoho elektronu získá konfiguraci neonu (Ne).

⚙️ Vznik kationtů

Kationty vznikají procesem zvaným ionizace, při kterém atom nebo molekula ztrácí elektrony. K tomu je potřeba dodat energii, která se nazývá ionizační energie.

Vznik z atomů

Nejčastěji tvoří kationty kovy, protože mají nízkou ionizační energii a snadno odevzdávají své valenční elektrony.

• Alkalické kovy (1. skupina, např. sodík, draslík) tvoří kationty s nábojem +1 (Na⁺, K⁺).

$\mathrm{N}\mathrm{a}\to {\mathrm{N}\mathrm{a}}^{+}+{\mathrm{e}}^{-}$

• Kovy alkalických zemin (2. skupina, např. hořčík, vápník) tvoří kationty s nábojem +2 (Mg²⁺, Ca²⁺).

$\mathrm{M}\mathrm{g}\to {\mathrm{M}\mathrm{g}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$

• Přechodné kovy (např. železo, měď, zinek) mohou tvořit kationty s různými náboji v závislosti na reakčních podmínkách (např. Fe²⁺, Fe³⁺).

Energie potřebná k odtržení prvního elektronu se nazývá první ionizační energie, energie pro odtržení druhého elektronu je druhá ionizační energie atd. Každá následující ionizační energie je výrazně vyšší než ta předchozí.

Víceatomové (polyatomové) kationty

Kationty mohou být tvořeny i skupinou kovalentně vázaných atomů, která jako celek ztratila elektron nebo přijala proton (H⁺).

• Amonný kation (NH₄⁺): Vzniká protonací amoniaku (NH₃).

${\mathrm{N}\mathrm{H}}_3+{\mathrm{H}}^{+}\to {\mathrm{N}\mathrm{H}}_4^{+}$

• Hydroniový (oxoniový) kation (H₃O⁺): Vzniká protonací vody (H₂O) a je klíčovou částicí v teorii kyselin.

${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{H}}^{+}\to {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}$

nomencl️ Názvosloví

Názvosloví kationtů se řídí několika pravidly:

1. Jednoatomové kationty:

   *   Název se tvoří z přídavného jména odvozeného od názvu prvku s koncovkou odpovídající oxidačnímu číslu (náboji).
       *   +1: koncovka -ný (např. Na⁺ – sodný kation)
       *   +2: koncovka -natý (např. Ca²⁺ – vápenatý kation)
       *   +3: koncovka -itý (např. Al³⁺ – hlinitý kation)
       *   +4: koncovka -ičitý (např. Sn⁴⁺ – cíničitý kation)
       *   +5: koncovka -ečný/-ičný (např. V⁵⁺ – vanadičný kation)
   *   U prvků s více možnými oxidačními čísly se používají různé koncovky (např. Fe²⁺ – železnatý kation, Fe³⁺ – železitý kation).
   *   Alternativou je Stockovo názvosloví, kde se za název prvku uvede do závorky římskou číslicí jeho oxidační číslo (např. kation železa(II), kation železa(III)).

2. Víceatomové kationty:

   *   Mají obvykle své triviální názvy, které je nutné si zapamatovat.
       *   NH₄⁺ – amonný kation
       *   H₃O⁺ – hydroniový (nebo oxoniový) kation
       *   PH₄⁺ – fosfoniový kation

🌍 Význam a výskyt

Kationty jsou všudypřítomné a mají zásadní význam v mnoha oblastech.

V chemii

• Jsou základní součástí iontových sloučenin, jako jsou soli (např. NaCl), hydroxidy (např. NaOH) a některé oxidy.
• V roztocích vedou elektrický proud a jsou základem elektrochemie a elektrolýzy.
• Kationty kovů často fungují jako katalyzátory v chemických reakcích.
• Kation H⁺ (resp. H₃O⁺) je nositelem kyselosti v Arrheniově a Brønsted-Lowryho teorii kyselin.

V biologii

Biogenní kationty, známé jako elektrolyty, jsou nezbytné pro životní procesy:

• Sodný kation (Na⁺) a draselný kation (K⁺) jsou klíčové pro udržování membránového potenciálu buněk a pro šíření nervových vzruchů (akční potenciál).
• Vápenatý kation (Ca²⁺) je zásadní pro svalovou kontrakci, srážení krve, přenos signálů v buňkách a je hlavní minerální složkou kostí a zubů.
• Hořečnatý kation (Mg²⁺) je kofaktorem stovek enzymů a je centrálním iontem v molekule chlorofylu, nezbytném pro fotosyntézu.
• Železnatý (Fe²⁺) a železitý (Fe³⁺) kation jsou součástí hemoglobinu a myoglobinu, kde vážou a přenášejí kyslík.

V geologii

Kationty jsou základními stavebními jednotkami většiny minerálů a hornin. Například křemičitany, nejrozšířenější skupina minerálů v zemské kůře, jsou tvořeny křemičitanovými anionty a různými kationty jako Si⁴⁺, Al³⁺, Fe²⁺/Fe³⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Na⁺ a K⁺.

🧪 Příklady běžných kationtů

Přehled vybraných běžných kationtů

Náboj	Symbol	Název	Příklad sloučeniny
+1	H⁺	vodíkový kation (proton)	HCl
	Na⁺	sodný kation	NaCl (kuchyňská sůl)
	K⁺	draselný kation	KCl
	NH₄⁺	amonný kation	NH₄Cl (salmiak)
+2	Mg²⁺	hořečnatý kation	MgCl₂
	Ca²⁺	vápenatý kation	CaCO₃ (vápenec)
	Fe²⁺	železnatý kation	FeSO₄ (zelená skalice)
+3	Al³⁺	hlinitý kation	Al₂O₃ (korund)
	Fe³⁺	železitý kation	FeCl₃

💡 Pro laiky

Představte si atom jako malou sluneční soustavu. V centru je těžké a kladně nabité jádro (slunce) a kolem něj obíhají lehké a záporně nabité elektrony (planety). V normálním stavu je počet kladných protonů v jádře stejný jako počet záporných elektronů v obalu. Atom je tedy elektricky neutrální, "vyvážený".

Kation vznikne, když tento atom z nějakého důvodu "ztratí" jednu nebo více svých vnějších planet (elektronů). Tím pádem v něm převládne kladný náboj jádra. Atom se stane kladně nabitým a my mu začneme říkat kation.

Příklad z běžného života je kuchyňská sůl (chlorid sodný, NaCl). Skládá se ze dvou částí: 1. Atomu sodíku, který ztratil jeden elektron a stal se z něj kladný sodný kation (Na⁺). 2. Atomu chloru, který naopak jeden elektron přijal a stal se z něj záporný anion (Cl⁻).

Tyto dva opačně nabité ionty se k sobě přitahují jako dva magnety a drží pohromadě, čímž tvoří krystalek soli.

Šablona:Aktualizováno