화학 반응 과정에서 원자 내부의 핵은 변화하지 않으나, 어떤 원자들은 전자를 쉽게 얻거나 잃을 수 있다. 원자가 전자를 잃거나 얻게 되면, 이온이라고 하는 전하를 띤 입자가 만들어진다. 양전하를 띤 이온을 양이온이라고 음전하를 띤 이온을 음이온이라고 한다.
예를 들어 양성자 11개와 11개의 전자를 갖는 소듐 원자를 사려 보기로 하자. 이 원자는 쉽게 전자 1개를 잃는다. 생성된 양이온은 11개의 양성자와 10개의 전자를 가지므로 실제 전하는 1+이다.
이온의 실제 전하는 위 첨자로 나타내고, +, 2+, 3+는 각각 전자를 1개, 2개, 3개씩 잃어버릴 때 생기는 실제 전하를 의미한다. 위첨자 -, 2-, 3-는 각기 전자를 1개, 2개, 3개 얻을 때 생기는 전하를 의미한다. 양성자 17개와 전자 17개를 갖고 있는 염소는 흔히 화학 반응에서 전자 1개를 얻어 다음과 같이 Cl- 이온을 생성한다.
일반적으로 금속 원자는 전자를 잃어 양이온이 되려는 경향이 있고, 비금속 원자는 전자를 얻어 음이온이 되려는 경향이 있다. 따라서 이온 결합 화합물은 NaCl과 같이 금속과 비금속의 결합으로 이루어지는 경향이 있다. Na+나 Cl- 같은 간단한 단원자 이온뿐만 아니라 NH4+ 암모늄 이온과 같은 다원자 이온 (polyatomic ion) 도 있다. 그리고 이 이온들은 원자들이 분자와 같은 형태로 결합하여 있지만, 실제로 양전하나 음전하를 띤다. 이온들의 화학적 성질은 이들을 생성한 원래 원자들과는 매우 다르다는 것을 알아야 한다. 전자를 몇 개 얻거나 잃으면, 원래 원자와는 전혀 다른 특성을 갖게 된다.
이온 전하 예측
주기율표에 표시된 것과 같이 8A족 원소들을 비활성 기체 원소라고 한다. 이 비활성 기체는 아주 적은 수의 화합물만을 만들며, 화학적으로 반응성이 매우 낮은 원소이다. 많은 원자들은 전자를 잃거나 얻음으로써, 주기율표상에서 가장 가까이 있는 비활성 기체와 비슷한 수의 전자를 갖게 된다. 원자들이 이러한 전자 배열을 하려고 하는 경향은 비활성 기체와 같은 전자 배열을 하면 매우 안정한 물질이 되기 때문이라고 추론할 수 있다. 비활성 기체와 이웃한 원소들은 전자를 잃거나 얻어 안정한 전자 배치가 이루어질 수 있다. 예를 들어 Na원자는 전자 1개를 잃어 Ne과 같은 전자 배치를 할 수 있다. 마찬가지로 Cl 원자는 전자 1개를 얻어 18개가 되고, 원자 번호 18의 Ar과 같은 전자 배치가 된다. 이와 같이 간단한 이온 생성 개념을 활용하면 화학을 쉽게 이해할 수 있다.
주기율표는 이온의 전하가 얼마인지를 기억하려고 할 때 매우 유용하게 이용될 수 있다. 이온의 전하는 그 원소의 주기율표에서의 위치와 관련이 있다. 예를 들어 표 왼쪽의 1A족 원소들은 1+ 이온을 생성하고 2족 원소들은 2+ 이온을 생성한다. 그리고 7족 원소들은 1-이온을 6족 원소들은 2-이온을 생성한다.
이온 결합 화합물
수많은 화학 반응 과정에서는 한 물질에서 다른 물질로 전자가 이동한다. 소듐이 원소 상태의 염소와 반응할 때 소듐 원자로부터 전자 1개가 염소 원자로 이동한다. 그 결과 Na+이온과 Cl-이온이 각각 1개씩 생성된다. 반대 전하를 갖는 두 물체 간에는 인력이 작용하기 때문에 두 이온이 결합하여 염화소듐이라는 화합물을 생성한다. 우리가 소금이라고 알고 있는 염화 소듐은 대표적인 이온 결합 화합물로서, 양전하 이온과 음전하 이온으로 이루어진 화합물이다.
화합물의 조성으로부터 그 화합물이 이온으로 구성된 이온 결합 화합물인지, 분자들로 구성된 분자 화합물인지를 구별할 수 있다. 일반적으로 양이온은 금속 이온이고, 음이온은 비금속 이온이다. 따라서 이온 결합 화합물은 대개 NaCl의 경우와 같이 금속과 비금속의 결합체이고, 분자 화합물은 H2O의 경우와 같이 비금속 원소로만 이루어져 있다.
이온 결합 화합물의 이온들은 NaCl과 같이 삼차원 구조로 배열된다. 염화 소듐은 분리된 NaCl 분자 형태로 존재하지 않기 때문에 실험식으로만 표기한다. 대부부누의 다른 이온 결합 화합물들도 실험식으로만 표기한다.
