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.
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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:
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.
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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:
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:
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:
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+).
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.
Íons isoeletrônicos são íons que possuem o mesmo número de elétrons.
Assinale a opção em que as três espécies atendem a essa condição.