İyon ve İyonlaşma Nedir? Nasıl Yapılır?

Bir ya da daha çok elektron almış ya da yitirmiş atom ya da atom küme­sine iyon, iyonların oluşmasma da iyonlaşma denir.

1832’de Faraday, bazı sulu çözeltile­rin, içlerinde kimyasal tepkimelere yol açan elektrik akımını ilettiklerini saptadı. 1887’de Arrhenius, ünlü ku­ramında, olayı şöyle açıkladı: Elektro­lit olarak adlandırılan bazı çözeltiler, yani suda çözündürülmüş asitler, baz­lar ve tuzlar, iyon adı verilen elektrik yüklü taneciklere ayrışırlar. Ayrışma bütünsel olursa, elektrolitin kuvvetli olduğu söylenir; kısmiyse, molekül ha­lindeki elektrolit ile iyonlar arasında bir denge oluşur; bu durumda, elek­trolitin zayıf olduğu söylenir.

Katyonlar ve Anyonlar

Bazı iyonlar, negatif elektrik yüklü (anyonlar), bazılarıysa pozitif yüklü­dür (katyonlar). Bir iyonu belirtmek için atomun ya da buna denk düşen atom kümesinin kimyasal simgesinden yararlanılır. Simgenin sağ üst kesi­minde, alman ya da yitirilen elektron sayısı belirtilir, ayrıca anyon için katyon için + işareti eklenir. Sözgeli­mi, bakır (II) iyonu, Cu²‘ simgesiyle belirtilir; sağ üst kesime 2 + yazmak yerine, iki + işareti de konabilir: Cu**. Bakır (II) iyonu tek atomlu bir katyondur; NH4 * amonyum iyonu çok atomlu bir katyondur; bromür iyo­nu Br- tek atomlu bir anyondur; CO3²‘ karbonat iyonuysa çok atom­lu bir anyondur. Bazı iyonlar, çeşitli kümelerle çevrilmiş bir merkez atom­dan oluşurlar: Bunlar kompleks iyon­lardır. Sözgelimi: [Fe (CN)_e]*‘ siyanoferrat (II) iyonu.

Organik kimyada, çok sayıda tepkime mekanizmasında, yaşam süresi çok kı­sa olan iyonlar işe karışır. Bunlar, bir karbon atomu üstünde bir tek elektrik yükü taşıyan köklerdir: Karbokatyon (ya da karbonyum iyonu) pozitif olan­dır; negatif olursa, karbanyon olarak adlandırılır. Sözgelimi: Trimetil kar­bonyum iyonu (CH₃ )₃C ’ ; trinitrokar- banyon (N03)₃C-.

İyonlaşma

İyonların oluşması (ya da iyonlaşma), bir kimyasal tepkime (elektron yaka­lanması ya da verilmesi) sırasında ve­ya İyonlaştırıcı olarak adlandırılan ve atomdan bir ya da daha çok elektro­nun ayrılmasına neden olan fiziksel bir dış etkenin altında (sözgelimi, elektromagnetik ışıma) gerçekleşebilir. Bir kimyasal tepkime sırasında ele­mentlerin çevrimsel çizelgesinin çeşit­li elementlerinin iyonlaşma kolaylığı, elementin elektronegatifliğiyle ölçü­lür; bir element ne kadar çok elektro­negatifse, en dış elektron tabakasını, en yakın soy gazın daha kararlı konfigürasyonuna erişecek biçimde ta­mamlamak için elektron yakalama eğilimi o kadar fazladır; bir element ne kadar az elektronegatifse, bu konfigürasyona ulaşmak için elektron verme eğilimi o kadar fazladır. Fiziksel bir etken etkisiyle iyonlaşma ya da bir şok veya çarpışmayla iyon­laşma, basit cisimlerin moleküllerinin, elektron ya da elektromagnetik ışın­lar aracılığıyla (X ışınları, Y ışınla­rı, kozmik ışınlar) bombardımanı so­nucu gerçekleşir. İyonlaştırıcı ışıma­nın enerjisi yeterliyse, hedef molekü­lü, en dış tabakalarından, bir ya da daha çok elektron yitirir. Bombardı­mana tutulan element ne olursa olsun, yalnızca katyonlar elde edilir. Sözge­limi, klor, bir kimyasal tepkime sıra­sında Cr kloriir anyonu, İyonlaştırı­cı bir etkenin etkisiyle de katyonlar (cr, Cl²\ Ci; ,Cin halinde iyonlaşır. Şokla iyonlaşmanın çok sayıda uygulaması vardır: Tanecik hızlandırıcıları; Geiger-Müller sayaç­ları; iyonlaşma odaları.

Elektrik yüklü tanecikler olan iyonlar, elektrostatik yasalarına uyarlar. Böy­lece karşıt işaretli iyonlar, Coulomb yasasına uyarak değerinde bir kuvvetle birbirlerini çe­kerler. Burada q ve q’, iki iyonun yük­lerini, r bunları ayıran uzaklığı, c’yse iyonların bulunduğu ortamın dielektrik sabitini belirtir. İyonlardan olu­şan billur yapılarının kohezyonunu sağlayan elektrostatik bağın sorumlu­su bu kuvvettir. Billur, dielektrik sa­biti havanınkinden çok daha yüksek olan bir ortama konduğunda, söz konu­su kuvvet büyük ölçüde azalır. Bu du­rumda billur yapısının dağıldığı göz­lenir: Suya iyonlardan oluşan bir bil­lur (sözgelimi, sodyum klorür) atıldı­ğında aynı olay gözlenir ve billurun çözündüğü görülür.İyonlar, elektrik ya da magnetik bir alana konduklarında, elektrostatik ya da elektromagnetik kuvvetlerin etkisi altında kalırlar. Bu da, bir elektroli­tik pilde iyonların elektrotlar arasın­da yer değiştirmesini açıklar; anyon­lar anoda (adları bundan türetilmiş­tir), katyonlar da katoda, elektrotlar arasında oluşturulan elektrik alanına, iyonların yüküne ve büyüklüğüne bağ­lı bir hızla yönelirler. Gerçekten de bir iyon, içinde bulunduğu çözücünün mo­lekülleriyle çevrilebilir; bu solvatlanmış iyondur ve bütün öbür koşullar aynı olmak üzere, iyonun, büyüklüğü oranında hızı azalır. Demek ki, bir yandan çözeltide elektroliz yardımıy­la (elektrokimyanın ana yöntemi) iyon­ları ayırmak olasıyken, öte yandan gaz evresinde, elektrostatik ya da magnetik mercekler yardımıyla iyon demetlerini saptırmak ve odaklaştır­mak olasıdır (kütle tayfçizeri ve çok sayıda fizik aygıtının ilkesi).

İyonlar ve Canlı Madde

Canlı maddede, çözelti halindeki çok sayıda kimyasal tür, iyonlara ayrışır: Bunlar madensel tuzlar ve bazı orga­nik bileşiklerdir (organik asitler, aminoasitler, yağ asitleri, vb.). Maden iyonlarının metabolizması, öbür bileşenlerinkinden farklıdır, çünkü, bun­lar canlı madde tarafından ne üreti­lebilmekte, ne de bozundurulabilmektedirler. Başlıca madensel katyonlar şunlardır: Na* , K⁺ ,Ca²⁺ , Mg²⁺ . Başlıca anyonlar arasında da şunlar belirtilebilir: Cl~, SO4″, COT , NOâ ,POr . Hücre içinde, çeşitli iyonların derişimleri arasında özel bir denge bulunur, ayrıca canlı madde elektriksel açıdan yüksüz olduğundan, katyonların pozitif yükleri, her zaman, anyonların negatif yükleriyle denge­lenir.Hücre içi ve hücre dışı ortamların iyon bakımından bileşimleri temelde fark­lıdır ve hücre uyardmadığı sürece sa­bittir. Na ” sodyum iyonu, hücre dışı sıvılarda en çok bulunan katyondur. Aynı biçimde, hücre dışı sıvılarda Clr ve HCO 3 anyonları en çok bulunan­lardır. HP02 iyonu ve bazı organik anyonlarsa hücre içi ortamda çok kar­şılaşılan iyonlardır. İyonlar bu deri­şim farklarından başlayarak hücre­nin geçirgenliğinde, uyarılmasında, kasılmasında ve ağdalılığında çok önemli rol oynarlar.

İyon Değişimi

İyon değişimi, bir sıvı evre ile bir katı arasında, katıda kesin bir yapı deği­şikliği oluşmadan gerçekleşen tersinir bir iyon değişimi olarak tanımlanabi­lir. Katı madde, uzun süre tekrar kullanılabilen iyon değiştiricidir. Bilinen ilk iyon değiştiriciler, madensel bile­şikler olmuştur. Thomson ve Way, 1850 yıllarında bazı topraklarda ba­zı iyonları (kalsiyum ve amonyum) de­ğiştirme özelliği bulunduğunu gözledi­ler. 1927-1930 yılları arasında Pauling ve Bragg’ın çalışmaları, iyon de­ğişimi ve billur yapısı arasındaki iliş­kiyi aydınlattı. O dönemde kullanılan birtakım iyon değiştiricilerden günü­müzde de yararlanılmaktadır Bunlar, arıtıcıların bileşimine giren ve ana gö­revlerinden biri, suyu sert kılan ve sabunlarla deterjanların etkisini engel­leyen kalsiyum ile magnezyumu tut­mak olan zeolitler ve bazı polifosfatlardır.Günümüzde, en önemli iyon değiştiri­cileri yapay reçinelerdir. Bu tür reçi­nelerin kullanımı, Adams ve Holmes’ m 1935’te gerçekleştirdikleri çalışma­ların sonucunda yaygınlaştı. Bunları, 1937-1940 yıllarında çok sayıda kim­yacı izledi. Reçinelerin yapısı iki ana bölüm içerir: Bir polimer ya da kopolimerden oluşan bir ana madde ve iş­levsel bir küme (iyonsal olarak etkin küme). İyon değiştiricilerin çok çeşit­li olması, bu iki bölümün değişik bileşimlerinden ileri gelir. Demek ki bir iyon değiştirici reçinenin bireşimi, ana maddenin hazırlanmasını, sonra da işlevsel kümenin eklenmesini ge­rektirir. Ana madde, çoğunlukla, divinil benzen ve sürenin ya da divinilbenzen ve akrüatm veya metakrilatın kopolimeridir. İyon değiştirici reçine­ler, işlevsel kümelerine göre dört ka­tegoride toplanabilirler: Kuvvetli asit­li (S0₃~ H⁺ ), zayıf asitli (COO H * ), kuvvetli bazik (sözgelimi, R4 N * C1 ), zayıf bazik (sözgelimi R₃ NH⁺ C1′). İyon değiştirici reçine­lerin çok sayıdaki uygulamaları ara­sında en önemlileri şunlardır:

1. Su­yun yumuşatılması (yumuşak su): Sert su, kuvvetli asitli bir reçinenin (sod­yum tuzu) bulunduğu bir sütunun için­den geçilir. Kalsiyum, sudan reçine aracılığıyla özütlenerek, su içinde eş­değer miktarda sodyum ile şu tersinir denkleme göre yer değiştirir: 2RNa + Ca²⁺ R> Ca + 2Na⁺ . Kal­siyumla doymuş reçine, son derece derişik sodyum klorür (% 6-20) çözel­tisiyle işlenerek yeniden kazanılır;

2. suyun iyonlardan arıtılması (arı su): Yumuşatma, yalnızca, sudaki kalsi­yum tuzlarının, bunlara denk düşen sodyum tuzlarıyla yer değiştirmesini sağlar. Burada da söz konusu olan, suda bulunan iyonların tümüyle gide­rilmesidir. Çok sayıda kullanım alanı, suyun bu niteliğini gerektirmektedir (bunlar üreteçlerinin beslenmesi, taşıt akümülatörleri için gereken su, evde kullanılan buharlı ütülerin doldurul­ması, vb.). İşlem suyun önce kuvvetli asitli reçine taşıyan bir sütundan, ar­dından da kuvvetli bazik reçine taşı­yan bir sütundan geçirilmesiyle gerçekleştirilir. Asitli reçine, kuvvetli bir asit çözeltisi aracılığıyla (hidroklorik asit ya da sülfürik asit), bazik reçine de kuvvetli bir baz aracılığıyla (sudkostik) yeniden kazandır,

3. kimyasal maddelerin arıtılması: İyonsal nitelik­te olmayan gliserol, glikoller, şeker gi­bi kimyasal maddeler, iyon değiştiri­ciler sayesinde içerdikleri iyonsal katışkılardan kolayca kurtulurlar;

4. seyreltik çözeltide metallerin derişimi (sözgelimi, uranyum);

5. kimyasal tep­kimelerin katalizi: Bu tepkimeler sıra­sında, çok kuvvetli asitli iyon değişti­riciler katalizör olarak herhangi bir kuvvetli asidin yerini alabilirler. Söz­gelimi, bir organik asidin bir alkol yar­dımıyla esterleşmesi. En büyük kolay­lık, katalizörün basit bir süzme işlemi aracılığıyla yalıtılması ve kazanılma­sıdır;

6. çözümlemede kullanma: Ka­rışımlar, ortamın sıcaklığında, kendi­lerini kimyasal olarak değişime uğratabilecek etkenlere gerek kalmadan, bileşim elementlerine ayrıla­bilirler.

Böyle ayırmalar, alışılmış yöntemler­le çoğunlukla güç, hatta olanaksızdır.

İyonlaştırma Odası

İyonlaştırma odası, İyonlaştırıcı bir ışın demetinin (X ışınları, vb.), bu de­metin belli bir gaz hacminde oluştur­duğu iyon miktarına dayanarak şidde­tini ölçmeye yarayan bir aygıttır. Bir iyonlaştırma odası, iyonlaşabilen bir gaz dolu ve söz konusu ışınlar için saydam bir pencereyle donanmış su sızdırmaz bir kutudur. Birbirine koşut iki tabla, ışınların yörüngesi üstünde belli bir gaz hacmini sınırlandırırlar. Bu tablalar gerilim altında bulunur­lar ve üstlerine yüklerini bırakan iyonları toplarlar: Böylelikle, iyonla­rın miktarıyla, dolayısıyla ışımanın şid­detiyle orantılı bir akım oluşur. Rad­yoterapide kullanılan X ışınlarının dozunun ayarlanması, uygun birimle­re ayarlanmış İyonlaştırıcı odalar aracılığıyla yapılır. İyonlaştırma oda­larının bazı türlerinde, şiddetli elek­trik alanlarının ivme kazandırdığı iyonlar, gaz moleküllerini iyonlaştırmaya yetecek bir kinetik enerji kaza­nırlar. Yalıtılmış taneciklerin geçişi­nin saptanmasını sağlayan bir iyon kümesi oluşur. Geiger-Müller sayacı, bu tür odaya bir örnek oluşturur. Wilson odası, su buharıyla doymuş hava içeren bir iyonlaştırma odasıdır. Bir pistondan oluşan çeperlerinden biri, bir tanecik demetinin geçmesiyle apansızın yer değiştirir; su buharının üstündeki basınç azalır ve İyonlaştı­rıcı taneciklerin neden olduğu iyonlar, buharın yoğunlaşma merkezi haline gelirler.

Hadi Paylaş!