Весь наш світ складається з атомів. У центрі атома — ядро з позитивно заряджених протонів і нейтронів, які не мають заряду, а навколо ядра рухаються негативно заряджені електрони. У нормальному стані атом нейтральний: кількість позитивних нейтронів дорівнює кількості негативних електронів.
Але дуже часто атом, щоб отримати більш стабільний стан, віддає свої електрони, або приєднує чужі. Коли електронів стає більше або менше кількості протонів, атом отримує негативний або позитивний заряд. Такий атом називають іоном. Якщо атом віддає електрон — утворюється позитивний іон (катіон). Якщо приймає — негативний (аніон).
Щоб зрозуміти, чому так відбувається, потрібно згадати про енергетичні рівні, на яких розташовані електрони. На першому рівні може бути максимум 2 електрони, на другому — 8, на третьому — до 18 і так далі. Атоми можуть мати аж до 7 рівнів, але вирішальне значення має зовнішній рівень.
Будь який атом прагне заповнити свій зовнішній рівень, бо це його стабільний стан. Чим менше електронів потрібно віддати або прийняти, щоб заповнити оболонку — тим більш активний атом.
Наприклад, натрій має 11 електронів: 2 на першому рівні, 8 на другому і 1 на третьому. Йому вигідно віддати цей один електрон і отримати стабільну конфігурацію 2+8. Тому натрій легко віддає свій єдиний електрон на зовнішньому рівні і стає катіоном Na⁺.
Хлор має 17 електронів: 2, 8 і 7 на зовнішньому рівні. Йому “не вистачає” лише одного електрона до повної зовнішньої оболонки. Тому він активно приєднує електрон і стає аніоном Cl⁻. Як бачимо, ця солодка парочка ідеально підходить одне одному. Коли натрій і хлор взаємодіють, відбувається передача електрона: натрій віддає, хлор приймає. Утворюються іони Na⁺ і Cl⁻, які притягуються і формують звичайну кухонну сіль, яка є дуже стабільною сполукою.
Слід сказати, що багато атомів у “нейтральному”, тобто класичному стані з незаповненою зовнішньою оболонкою дуже нестабільні і майже не зустрічаються окремо в природі, але існують у вигляді іонів.
Наприклад:
— Натрій у природі практично не існує як чистий метал, зате катіон Na⁺ є всюди: у солі, у крові, в морській воді.
— Хлор як окремий атом дуже агресивний і дуже токсичний, але у якості аніону Cl⁻ — стабільний і не шкідливий.
— Кальцій зазвичай існує як Ca²⁺ — саме в такому вигляді він є в наших кістках і зубах.
Слід розуміти, що, коли атом стає іоном, він не змінює свою “сутність”. Елемент визначається кількістю протонів у ядрі. У натрію завжди 11 протонів — і це не змінюється. Змінюється лише кількість електронів, а значить — заряд. Тобто іон — це той самий атом, але з іншим електричним балансом.
І саме ця “невелика зміна” робить іони надзвичайно важливими. Вони відповідають за передачу нервових імпульсів, скорочення м’язів, роботу серця. Наприклад, іони натрію і калію постійно рухаються через мембрани клітин, створюючи електричні сигнали.
Фактично, життя — це безперервний рух іонів.
А що відбудеться, якщо зміниться не кількість електронів, а кількість протонів або нейтронів у ядрі атома? При зміні кількості нейтронів — утворюється ізотоп того ж елемента. А якщо змінюється кількість протонів — то це вже буде зовсім інший елемент.