离子

离子是带有净电荷的原子或相互键合的原子团。带正电的离子称为阳离子，其电子数少于质子数；带负电的离子称为阴离子，其电子数多于质子数。离子可以是固体的组成部分、液体中溶解的粒子，也可以是气体中的带电物种。电荷使离子区别于中性原子和分子，并显著影响其化学性质。(goldbook.iupac.org)

电荷与表示方法

原子失去一个或多个电子时会带正电，得到电子时则会带负电。通常，离子的形成不会改变原子核中的质子数，因此也不会改变其所属的化学元素。例如，铝原子有13个质子和13个电子；Al³⁺离子仍有13个质子，但只有10个电子。(openstax.org)

离子的电荷以右上标的形式写在化学符号或化学式之后。Na⁺表示带一个单位正电荷的钠离子，Mg²⁺则表示带两个单位正电荷的镁离子。Cl⁻表示氯离子，SO₄²⁻表示硫酸根离子。上标电荷适用于整个物种，而下标表示化学式中各类原子的数目。这些表示规则将电荷与化学组成区分开来。(openstax.org)

单原子离子与多原子离子

单原子离子只含一个原子，例如Na⁺、Ca²⁺和Cl⁻。多原子离子由多个相互键合的原子组成，但作为一个带电整体发挥作用。例如铵根离子NH₄⁺、氢氧根离子OH⁻、硝酸根离子NO₃⁻和硫酸根离子SO₄²⁻。多原子离子的组成原子之间可以存在化学键，同时整个离子作为一个完整的单元参与构成离子化合物。(openstax.org)

元素周期表有助于预测许多常见单原子离子的电荷。第1族金属通常形成带+1电荷的离子，第2族金属通常形成带+2电荷的离子。许多非金属会形成阴离子。这些规律对简单化合物很有用，但并非普遍适用：有些元素能形成多种电荷不同的离子，而多原子离子的电荷取决于整个原子团的组成。(openstax.org)

离子的形成与电离

电离是产生一个或多个离子的过程。它可以涉及电子的失去、中性物种分裂成带相反电荷的碎片，或起初呈中性的分子之间发生反应。因此，离子的形成并不只是从孤立原子中移走一个电子。从已经带正电的离子中继续逐个移走电子，会产生带更多正电荷的物种。(goldbook.iupac.org)

电离能是从孤立的气态物种中移走一个电子所需的能量。在气体中，足够的能量可以使电子脱离原子，产生阳离子和自由电子。等离子体含有这类带电粒子，能够导电；太阳、其他恒星以及行星际空间中都存在等离子体。其行为受到电磁场的强烈影响。(goldbook.iupac.org)

溶液中离子的形成也可以通过质子转移实现。在水中，一个水分子可以将质子转移给另一个水分子，生成水合氢离子H₃O⁺和氢氧根离子OH⁻。在任一时刻，纯水中只有很小一部分分子发生这一过程，这有助于解释纯水的电导率为何很低。(openstax.org)

离子固体与溶解的离子

带相反电荷的离子相互吸引。在离子固体中，这种吸引力构成了维系有序晶体的化学键的一部分。离子化合物的化学式表示其组成离子为保持电中性所需的最简比例。因此，氯化钙CaCl₂中，每个钙离子对应两个氯离子，以两个−1电荷平衡一个+2电荷。(openstax.org)

许多离子固体坚硬、易碎，且熔点相对较高。它们在固态时通常导电性较差，因为离子无法在结构中自由移动。熔化后，或溶解在适当的液体中时，可移动的离子便能传导电流。因此，仅仅含有带电组分并不足以保证较高的导电性；这些组分的迁移能力同样重要。(openstax.org)

在溶液中，溶剂分子会围绕溶解的离子。水分子中带部分负电荷的氧原子一侧倾向于朝向阳离子，而带部分正电荷的氢原子一侧则朝向阴离子。这些相互作用有助于使离子脱离晶体，并分散到液体中。离子固体溶解时释放的是其结构中原本就存在的离子，而不一定是通过电子转移生成新的离子。(openstax.org)

电解质在溶液中产生可移动的离子。强电解质已溶解的部分几乎全部形成离子，弱电解质则仅部分形成离子。因此，电解质的强弱不同于溶解度的大小：一种难溶化合物即使只有少量溶解，已溶解的部分仍可能高度解离。(openstax.org)

生物学作用与应用

生物膜维持着不同区室之间的离子浓度差。具有选择性的离子通道允许Na⁺、K⁺、Ca²⁺和Cl⁻等离子顺着各自的电化学梯度穿过细胞膜。通道开放状态的变化会改变膜电位，并在包括神经元在内的电兴奋性细胞中产生动作电位。离子通道以被动方式运输离子，而离子泵则可以利用能量来维持这些电化学梯度。(ncbi.nlm.nih.gov)

在锂离子电池中，锂离子在电池内部通过电解质在电极之间移动，电子则经由外部电路流动。这两种相互耦合的运动使电池能够充放电，而不需要电子跟随离子穿过电解质。(energy.gov)

质谱法根据离子物种的质荷比来区分它们，质荷比通常写作m/z。在不使原有分子结构碎裂的情况下，通过增加或移除电子可以产生分子离子。另一方面，离子交换利用离子在液体与交换材料之间的转移；在水软化过程中，阳离子交换树脂可以去除水中溶解的钙离子。(goldbook.iupac.org)