الأيون

الأيون ذَرَّة أو مجموعة ذرات تحمل شحنة كهربائية. تغدو الذرات والجزيئات مشحونة، إذا ما اكتسبت أو فقدت إلكترونات. ولكل ذرة سحابة إلكترونات سالبة الشحنة، تحيط بنواة صغيرة ثقيلة. وتحتوي النواة على بروتونات موجبة الشحنة. وتكون الذرة متعادلة، إذا ما تساوى عدد الإلكترونات المحيطة بالنواة، مع عدد البروتونات التي توجد داخل النواة. وتُسَمّى عملية انتزاع الإلكترونات من الذرات أو من الجزيئات للحصول على أيونات موجبة تأينا. ويمكن للإلكترونات المنتزعة أن تنتقل إلى ذرات أو مجموعات ذراتٍ أخرى، مؤدية بها إلى تكون أيونات سالبة. يتحدد مقدار الشحنة الكهربائية في أيون ما بعدد الإلكترونات المكتسبة أو المفقودة في الذرة أو الجُزُيْء.


هناك مواد شائعة كثيرة تحتوي على أيونات، منها ملح الطعام، الذي يتكون من عدد من أيونات الصوديوم المشحونة بشحنة موجبة، مساو لعدد أيونات الكلوريد المشحونة بشحنة سالبة. تفقد كل ذرة صوديوم إلكتروناً، وتغدو أيون صوديوم موجبًا، عندما يتكون ملح الطعام من العنصرين: الكلور والصوديوم. وبالمقابل فإن كل ذرة كلور تكتسب إلكتروناً، وتغدو أيون كلوريد سالبًا. ويحوي ماء البحر أنواعاً كثيرة من الأيونات، أكثرها شيوعاً، بالنظر إلى كمياتها، هي الكلوريد والصوديوم والكبريتات والمغنسيوم. كذلك يتضمن الهواء المحيط بالأرض أيونات كثيرة. تتركز هذه الأيونات في طبقة تُدعى الغلاف الأيوني.


الأيونات في الأجسام الصلبة (الجامدة). ترتبط فيما بينها بترتيب منظم متكرر، وفقاً للأبعاد الفراغية الثلاثة. تسمى المادة، من هذا القبيل، بلُّورة أيونية، من ذلك مثلاً: أيونات الصوديوم التي تتناوب في بلُّورة ملح الطعام مع أيونات الكلوريد. تتماسك الأيونات في بلُّورة أيونية عن طريق التجاذب بين الشحنات المتضادة.


الأيونات في السوائل. تتحرك بحريّة داخل السائل. ففي محلول ما، يجذب كل أيون جزيئاً أو أكثر من جزيئات المذيب، وهو السائل الذي يذيب. صحيح أن جزيئات المذيب متعادلة، لكن الجزيئات القطبية في المذيب تمتاز بطرف موجب وآخر سالب. والبلورات الأيونية، مثل كلوريد الصوديوم، لاتذوب في العادة إلا في مذيبات تتضمن جزيئات قطبية. وهكذا يجذب كل أيون، يقع على سطح البلورة، الطرف المشحون بشحنة مضادة في الجزيئات القطبية. يقلل هذا التجاذبُ التجاذبَ الذي بين أيونات البلورة، مما يؤدي إلى انفضاض الأيونات عن بعضها في البلورة، والنزوح داخل المحلول، ومعها جزيئات قطبية. يقال للأيونات التي انضمت إليها جزيئات قطبية من جزيئات المذيب أنها مُتَمَذْيِبَةُ.


الأيونات في الغازات. تكون الأيونات في الغازات، في الضغوط العادية، أبعد من أن تتجاذب

فيما بينها تجاذباً قوياً. لهذا فإن الأيونات الفرادية في غاز ما، ربما تظل على هذه الحالة زمناً طويلاً قبل أن تتحد مع أيونات أخرى. يُسمَّى المزيج المتكون من غاز متأين، ومن إلكترونات عند درجة حرارة عالية بلازما.

تكوِّن الأيونات الكثير من الجسيمات في الفضاء. ويتم احتجاز بعض هذه الأيونات بوساطة المجال المغنطيسي الأرضي حيث تصبح جزءاَ من حزام فان آلن.


سلوك الأيونات. تُعَدُّ أيونات الأجسام الصلبة والسوائل ومعظم الغازات المتأينة كافة متعادلة كهربائياً. ذلك لأن المجموع الكلي لشحنة جميع أيوناتها الموجبة، يساوي المجموع الكلي لشحنة أيوناتها السالبة كافة. تطبق هذه القاعدة العامة، كذلك، على كل الأنواع الأخرى للمادة. وتُسَمَّى مبدأ التعادل الكهربائي.

والأيونات الموجودة في سائل ما، أو في غاز ما، تكون في حركة دائمة، كما أن الذرات والجزيئات المتعادلة دائمة الحركة. فكل أيون يغير جهة حركته بلايين المرات في كل ثانية، وذلك بسبب قوى جسيمات أخرى تعمل في الأيون.

ولهذا لايحتمل لأيون ما – بعد كل تغير في الاتجاه- أن يتحرك في اتجاه واحد دون اتجاه آخر. تسمى مثل هذه الحركة حركة عشوائية أو حركة براونية. إذا وُضِعَ قطبان مشحونان بشحنتين متضادتين في سائل ما، أو غاز ما، فإن كل أيون يفقد جزءاً من حركته العشوائية ويشرع في الاتجاه نحو أحد القطبين، الأيونات السالبة تتجه نحو (المصعد أو الكاثود) القطب الموجب، وهذه تسمى أنيونات. والأيونات الموجبة تتجه نحو المهبط القطب السالب، وتُدعى كاتيونات. يسمى جريان التيار الكهربائي هكذا عبر محلول ما بوساطة أنيونات وكاتيونات، تحليلاً كهربائياً.

تعتمد قدرة محلول ما على توصيل التيار الكهربائي، على تركيز الأيونات في ذلك المحلول. فالماء النقي ـ مثلاً ـ موصل رديء للكهرباء. أما الماء المتضمن أيونات مذابة، فيُعَد مُوصِّلاً جيداً. والأملاح المصهورة تتضمن أيونات كثيرة، تتحرك بِحُرِّية. ولهذا فهي موصلات كهربائية ممتازة.


إنتاج الأيونات. يزيد الإشعاع طاقة الإلكترونات في ذرة أو في مجموعة ذرات، حتى إذا زادت هذه الطاقة إلى حد كافٍ، تمكن إلكترون أو أكثر من التغلب على جذب النواة، وبالتالي الإفلات من الذرة. وتغدو الذرة- بذلك- أيوناً موجباً. يشمل الإشعاع، الذي بوسعه توليد أيونات، الضوء والأشعة السينية وأشعة جاما والنوى الذرية والجسيمات النووية الدقيقة والإلكترونات.

إذا امتصت الأنسجة النباتية أو الحيوانية الإشعاع ذو الطاقة العالية، فإن أيونات غير طبيعية تتولد في الأنسجة. ثم لاتلبث أن تدخل في تفاعلات كيميائية، وربما أدت إلى ضرر بالغ. تسمى أعراض هذه التفاعلات في الكائنات البشرية وفي الحيوانات الأخرى داء الإشعاع. تُقاس كمية الإشعاع التي امتصتها الأنسجة بوحدات تسمى وحدات رونتجن أو وحدات الأشعة راد. يقابل وحدة رونتجن أو وحدة راد، تكوّن نحو بليوني زوج من الأيونات في الأنسجة. ويغلب أن تحصل الوفاة إذا ما امتص جسم شخص ما 500 رونتجن من الإشعاع لمدة قصيرة.

تتكون الأيونات في تفاعل كيميائي، إذا ما تفككت الجزيئات إلى أجزاء مشحونة كهربائياً. مثال ذلك تفكك جزيئات كلوريد الهيدروجين إذا ما أضيفت إلى الماء، حيث تتكون أيونات هيدروجين موجبة وأيونات كلوريد سالبة.