Cátions: o que é e bivalente, trivalente e monovalente

O átomo é formado por partículas subatômicas denominadas prótons, elétrons e nêutrons. Os nêutrons não possuem carga elétrica, enquanto que os prótons possuem carga positiva e os elétrons, negativa. A carga elétrica de um átomo isolado é neutra, pois a quantidade de prótons é igual à quantidade de elétrons.

Os átomos possuem a capacidade de ganhar ou perder elétrons, dependendo de sua localização na tabela periódica. Segundo a Regra do Octeto, os átomos tendem a estabilizar com oito elétrons na sua camada de valência. Assim, os átomos das famílias IA, IIA e IIIA apresentam maior facilidade em perder elétrons e transformam-se em íons denominados cátions. Já os átomos das famílias VA, VIA e VIIA possuem maior facilidade em ganhar elétrons transformando-se em íons denominados ânions.

É bom ressaltar que quando um átomo está eletricamente neutro, ele possui prótons e elétrons em quantidades iguais, porém um elétron que recebeu ou cedeu elétron se transforma em um íon. Mais a frente veremos as principais diferenças entre cada um dos tipos de íons em que um elemento pode se transformar, sendo que o foco do artigo é referente aos cátions.

📚 Você vai prestar o Enem? Estude de graça com o Plano de Estudo Enem De Boa 📚 

Os elementos químicos conhecidos e encontrados na Tabela Periódica tendem a ganhar ou perder elétrons. Estes elétrons se encontram na camada de valência para tornarem-se estáveis com 8 elétrons na última camada, salvo algumas exceções à esta regra, como por exemplo, o alumínio e o boro, que se estabiliza com 6 elétrons na camada de valência, o berílio que estabiliza com 4 elétrons na última camada, o fósforo que pode receber até 10 elétrons e o enxofre que podem receber 12 elétrons. Os gases nobres não recebem nem doam elétrons, pois já se encontram estáveis com 8 elétrons na camada de valência.

Sendo assim, um cátion é um elemento químico ou molécula que perde ou cede elétrons para outro elemento químico, tornando-se positivamente carregado.

Quando um elemento perde elétrons em uma ligação química, a quantidade de prótons excede a quantidade de elétrons e ele se transforma em um sistema eletricamente positivo, ou seja, um cátion. Já quando o elemento ganha elétrons, a quantidade de elétrons excede a quantidade de prótons e ele se transforma em um sistema eletricamente negativo, ou seja, um ânion.

Para calcular a carga elétrica de um átomo, basta somar o número de prótons (p), que são positivos, com o número de elétrons (e-), que são negativos. Deve-se levar em consideração as cargas positivas e negativas para realizar a conta. Matematicamente, teríamos:

Carga elétrica total = p – e-

O sinal negativo vem da carga dos elétrons.

Observe abaixo alguns exemplos de cátions:

• Um átomo de sódio (11Na23) eletricamente neutro possui 11 prótons, 11 elétrons e 12 nêutrons (n = A – Z = 23 – 11 = 12). A carga elétrica desse átomo é +11 – 11 = 0. Ao perder 1 elétron de sua camada de valência ele transforma-se em um cátion sódio (Na+), passando a possuir 11 prótons, 10 elétrons e 12 nêutrons. A carga elétrica desse íon passa então a ser +11 – 10 = +1

• Um átomo de cálcio (₂₀Ca⁴⁰) eletricamente neutro possui 20 prótons, 20 elétrons e 20 nêutrons (n = A – Z = 40 – 20 = 20). A carga elétrica desse átomo é +20 – 20 = 0. Ao perder 2 elétrons de sua camada de valência ele transforma-se em um cátion cálcio (Ca²⁺), passando a possuir 20 prótons, 18 elétrons e 20 nêutrons. A carga elétrica desse íon passa então a ser +20 – 18 = +2.
• Átomo de cálcio se transformando em um Cátion cálcio.
• Um átomo de alumínio (₁₃Al²⁷) eletricamente neutro possui 13 prótons, 13 elétrons e 14 nêutrons (n = A – Z = 27 – 13 = 14). A carga elétrica desse átomo é +13 – 13 = 0. Ao perder 3 elétrons de sua camada de valência ele transforma-se em um cátion cálcio (Al³⁺), passando a possuir 13 prótons, 10 elétrons e 14 nêutrons. A carga elétrica desse íon passa então a ser +13 – 10 = +3.

Podemos ver pelas imagens que todos os cátions possuem raios atômicos menores que seus respectivos átomos. Isso porque perderam seus elétrons de valência, logo a quantidade de prótons tornou-se maior e o núcleo passou a exercer uma força de atração mais forte sobre os elétrons remanescentes, aproximando-os ao núcleo e diminuindo o raio atômico.

• O íon que apresentar valência +1 é chamado de cátion monovalente ou íon monovalente positivo.
• O íon que apresentar valência +2 é chamado de cátion bivalente ou íon bivalente positivo.
• O íon que apresentar valência +3 é chamado de cátion trivalente ou íon trivalente positivo.

🎓 Você ainda não sabe qual curso fazer? Tire suas dúvidas com o Teste Vocacional Grátis do Quero Bolsa 🎓

Os cátions podem ser monoatômicos, quando formados por um só átomo, ou poliatômicos, quando formados por mais de um átomo. 

A nomenclatura dos cátions monoatômicos é a própria nomenclatura do elemento precedido pela palavra “íon”. Exemplo:

• Na+ → íon sódio
• Ca2+ → íon cálcio
• Al3+ → íon alumínio

Quando um elemento formar cátions monovalentes com diferentes estados de oxidação, a nomenclatura dos íons poderá ocorrer de duas formas: pelo sistema Stock ou pelo sistema oso-ico. No sistema Stock, o estado de oxidação do elemento é indicado por meio de um número em algarismos romanos entre parênteses e sem espaço após o seu nome. já o sistema oso-ico é usado para indicar os estados de oxidação menor e maior, respectivamente. Exemplos:

• Cu+ → estado de oxidação +1 → íon cobre(I) ou íon cuproso
• Cu2+ → estado de oxidação +2 → íon cobre(II) ou íon cúprico
• Sn2+ → estado de oxidação +2 → íon estanho(II) ou íon estanoso
• Sn4+ → estado de oxidação +4 → íon estanho(IV) ou íon estânico
• Cr2+ → estado de oxidação +2 → íon crômio(II) ou íon cromoso
• Cr3+ → estado de oxidação +3 → íon crômio(III) ou íon crômico
• Fe2+ → estado de oxidação +2 → íon ferro(II) ou íon ferroso
• Fe3+ → estado de oxidação +3 → íon ferro(III) ou íon férrico
• Co2+ → estado de oxidação +2 → íon cobalto(II) ou íon cobaltoso
• Co3+ → estado de oxidação +3 → íon cobalto(III) ou íon cobáltico
• Ti2+ → estado de oxidação +2 → íon titânio(II) 
• Ti3+ → estado de oxidação +3 → íon titânio(III) ou íon titanoso
• Ti4+ → estado de oxidação +4 → íon titânio(IV) ou íon titânico

Os cátions poliatômicos, por sua vez, podem ser nomeados de diversas maneiras, dependendo do tipo. Os cátions que apresentam um ou mais átomos de oxigênio ligados a um átomo de outro elemento são nomeados com o sufixo -ilo. Exemplo:

• UO22+ → íon uranilo(VI)
• NO+ → íon nitrosilo

Alguns átomos poliatômicos são nomeados universalmente de modo tradicional, como no caso do íon amônio (NH4+). O íon oxônio (H3O+) é mais chamado de íon hidrônio. Já o íon diatômico Hg22+ pode ser chamado tanto de íon mercúrio(I) como de íon mercuroso, como se fosse um íon monoatômico.

Alguns exemplos de cátions estão mostrados abaixo.

Os elementos da família 1A formam os seguintes cátions (monopositivos): 

H+; Li+; Na+; K+; Rb+; Cs+; Fr+

Lembrando que o hidrogênio também pode formar um ânion com carga negativa (H-)

Os elementos da família 2A formam os seguintes cátions (dipositivos):

Be+2; Mg+2; Ca+2; Sr+2; Ba+2; Ra+2;

O alumínio (Al+3) e o bismuto (Bi+3) são elementos que podem formar um cátion com carga positiva +3, sendo tripositivo.

Alguns átomos, como o mercúrio (Hg) e o cobre (Cu) podem formar cátions mono e dipositivos (Hg+ ou Hg+2; Cu+ ou Cu+2).

Outros átomos podem formar cátions di e tripositivos. Dentre eles podemos citar o ferro (Fe+2 ou Fe+3), o cobalto (Co+2 ou Co+3), o crômio (Cr+2 ou Cr+3) e o níquel (Ni+2 ou Ni+3).

O ouro é capaz de formar um cátion mono e tripositivo (Au+ ou Au+3).

Por fim temos os átomos que podem formar cátions di e tetrapositivos, como o estanho (Sn+2 ou Sn+7), o chumbo (Pb+2 ou Pb+4), a platina (Pt+2 ou Pt+4), o titânio (Ti+2 ou Ti+4), o manganês (Mn+2 ou Mn+4)

Outros átomos podem combinar entre si para a formação de um cátion. Podemos citar, por exemplo, o nitrogênio e o hidrogênio que formam o seguinte cátion quando combinados: NH4+. 

Assim como a formação do hidroxônio (ou hidrônio), que apresenta a seguinte carga positiva: H3O+

Podemos também citar a formação do íon nitrosilo formado por um átomo de oxigênio e um átomo de nitrogênio (NO+).

Quer estudar mais? Veja os conteúdos de Química do Manual do Enem e arrase nos vestibulares!

Quando um átomo eletricamente neutro, perde ou ganha elétron, ele sai do seu estado neutro e passa a se tornar um íon, ou seja, passa a apresentar uma carga negativa (caso tenha ganhado elétrons) ou uma carga positiva (no caso de o átomo ter perdido elétrons). 

Os átomos que apresentam carga negativa são chamados de ânions. Já os átomos que apresentam carga positiva são conhecidos como cátions.

Um átomo eletricamente neutro não possui a capacidade de conduzir corrente elétrica, porém quando este se torna um íon, com carga diferente de zero, passa a se tornar um condutor elétrico quando se encontra em um meio aquoso.

Assim, para que um íon seja considerado um cátion, o átomo deve ter perdido elétrons. A equação que representa um cátion está mostrada a seguir, sendo “E” um elemento qualquer, “n” a quantidade de elétrons perdidos e “e-” representado o elétron.

E → E+n + n.e-

Por outro lado, para que um íons seja considerado um ânios, o átomo deve ter ganhado elétrons, sendo a sua equação representada pela seguinte equação:

E + n.e- → E-n 

A partir da energia de ionização e da afinidade eletrônica podemos saber se um átomo ou molécula tende a se tornar um ânion ou um cátion. Por exemplo, um elemento químico que apresenta baixa energia de ionização, normalmente um metal, tende a perder ou doar elétrons para um elemento químico com elevada afinidade eletrônica, como os ametais. Assim, os íons formados, de carga oposta, reagem entre si através da ligação iônica por meio da força de atração eletrostática para formar um único composto químico.

Um cátion é um elemento químico ou até mesmo uma molécula, que perdeu elétrons para outro átomo, passando a apresentar mais prótons do que elétrons e, com isso, adquirindo carga positiva. O número de oxidação dos cátions varia de 1 a 4 elétrons que podem ser doados a outro elemento químico.

Átomos que perderam 1 único elétron são chamados de monovalentes. Aqueles que perderam 2 elétrons são conhecidos como bivalentes. Já os que elementos químicos que perderam 3 elétrons podem ser chamados de trivalentes e os que perderam 4 elétrons são os tetravalentes. Os elétrons cedidos a outros átomos saem da última camada, ou seja, a camada de valência, e assim o elemento doador passa a adquirir estabilidade eletrônica, com 8 elétrons na última camada. 

A maior parte dos cátions são formados por metais, já que estes apresentam baixa energia de ionização em comparação com os ametais. 

Conteúdos relacionados

Substâncias simples e compostas: o que são e exemplos

Energia de Ionização: veja o que é e exemplos

Calorimetria: entenda o que é e como calcular

Amônia (NH3): o que é, uso e perigos