ما هي الكاتيونات

و الكاتيونات هي الأنواع الكيميائية التي تلعب دورا أساسيا في العديد من العمليات الحيوية ولها العديد من التطبيقات في الصناعة والطب. إذا كنت تريد أن تعرف بالتفصيل ما هي الكاتيونات وما هي الغرض منها ، اقرأ هذا المقال حيث نشرح لك ذلك.

و الكاتيونات هي الذرات أو الجزيئات التي لها شحنة موجبة صافية . أي أنها تلك الذرات أو الجزيئات التي يتجاوز فيها عدد البروتونات ككل عدد الإلكترونات.

ينتج هذا النوع الكيميائي دائمًا عن فقدان الإلكترونات ، لأن هذه هي الجسيمات المشحونة الوحيدة التي يمكنها ترك الذرات أو الجزيئات أو الانضمام إليها. هذا صحيح ، حيث أن الإلكترونات تدور حول نواة الذرة في مجموعة من المدارات (والتي تسمى المدارات) وأنها ، ككل ، تشكل الغلاف الإلكتروني ، وهو الجزء الخارجي من الذرة.

توجد الكاتيونات فقط في صورة حرة في محلول في المذيبات القطبية مثل الماء. في الحالة الصلبة نجدها كجزء من المركبات الأيونية ، جنبًا إلى جنب مع الأنيونات ؛ تشكيل الأملاح . كما أنها تشكل جزءًا من المواد المعدنية ، حيث تشكل الكاتيونات شبكة تتحرك فيها الإلكترونات في شكل حر.

الآن بعد أن عرفت ما هي الكاتيونات ، دعنا نكتشف الأنواع المختلفة الموجودة. هنالك اثنان:

• الكاتيونات أحادية الذرة: الكاتيونات أحادية الذرة هي تلك التي تتكون من ذرة واحدة. هذه هي أيونات العناصر المعدنية ، والتي لها طاقة تأين منخفضة جدًا. هذا يعني أنها ذرات يمكن فصلها بسهولة عن إلكترونات غلافها الخارجي (غلاف التكافؤ) ، للوصول إلى بنية الغازات النبيلة في الفترة السابقة. يتضمن هذا التكوين الإلكتروني ثباتًا عاليًا وتكتسب العناصر المعدنية أشكالًا كاتيونية بسهولة شديدة.
• الكاتيونات متعددة الذرات: في هذه الحالة يتعلق الأمر بالمركبات الكيميائية التي تتكون من ذرات من عناصر مختلفة ولها شحنة موجبة. وهي ليست بكثرة ، ومن الأمثلة على ذلك: أيون الأمونيوم (NH4 ⁺ ) ، أو الهيدرونيوم (H3O ⁺ ) أو النيترونيوم (NO2 ⁺ ).

داخل الكاتيونات متعددة الذرات ، يجب أن نأخذ في الاعتبار أيضًا الكاتيونات العضوية ، فهي مركبات عضوية (تتكون من الكربون كعنصر رئيسي) بشحنة موجبة. عادة ما تكون هذه الأنواع من الكاتيونات عطرية بطبيعتها ، أي أنها تتكون من حلقات بنزين.

الكاتيونات هي أنواع كيميائية ، ووجودها لا يعني ضمناً “منفعة” جوهرية. ومع ذلك ، من الممكن التحدث عن “المنفعة” فيما يتعلق بكل من الأهمية الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية للكاتيونات في العديد من العمليات أو الظواهر الفيزيائية التي قد تكون ضرورية للتشغيل السليم للجسم أو تطبيقاته الطبية أو الطبية. العمليات الصناعية ذات الأهمية الاقتصادية. إذا كنت تريد معرفة الغرض من الكاتيونات ، فإليك مراجعة لاستخداماتها الأكثر شيوعًا ، فاحرص على ملاحظة ذلك!

ضبط التدرجات الكهروكيميائية

توجد الكاتيونات بشكل عام بتركيزات مختلفة في البيئة الداخلية والخارجية. هذا يجعل من الممكن إنشاء تدرجات كهروكيميائية في وسائط مفصولة بغشاء شبه نافذ مثل غشاء الخلية. تعتبر كاتيونات الصوديوم والبوتاسيوم ذات أهمية حيوية للحفاظ على التدرج الكهروكيميائي في البيئة الداخلية للكائنات الحية. في حين أن الكاتيون K ⁺ هو الأكثر وفرة في البيئة الداخلية للخلايا ، فإن الصوديوم هو الأكثر وفرة في البيئة (biotope). كلا الكاتيونات تشارك في آليات النقل المعقدة.

تنظيم الظواهر التناضحية

يتكون التناضح من الانتشار السلبي (يحدث تلقائيًا ولا يتطلب مدخلات طاقة) من الماء ، من خلال غشاء شبه منفذ ، من وسط بتركيزات عالية من المركب في المحلول ، إلى وسط يكون فيه تركيز المركب المذكور هو أدنى. لذلك ، يتم تحديد مرور الماء عبر الغشاء من خلال الاختلافات في التركيز بين البيئة الداخلية والخارجية للخلية.

تحديد الرقم الهيدروجيني للوسط الداخلي

الرقم الهيدروجيني للمحلول هو مستوى تركيز أيونات الهيدروجين (H +) في المحلول. هذه المعلمة ذات أهمية حيوية لبقاء الكائنات الحية ويجب أن تبقى ضمن حدود ضيقة ؛ لضمان حسن سير الإنزيمات التي تنظم التفاعلات الأيضية والوظائف الحيوية الأخرى.

وظائف بيولوجية محددة للكاتيونات

بالإضافة إلى المشاركة في الحفاظ على التوازن ، ودرجة الحموضة للوسط أو التدرجات الكهروكيميائية ؛ تقوم بعض الكاتيونات بوظائف محددة داخل الجسم. على سبيل المثال ، فإن كاتيون الكالسيوم (Ca ²⁺ ) ضروري في تقلص العضلات ، كما أن كاتيونات الصوديوم (Na +) والبوتاسيوم (K +) ضرورية في نقل النبضات الكهربائية على طول المحور العصبي للخلايا العصبية.

نجد أيضًا الكاتيونات المرتبطة بالمواد العضوية مثل البروتينات أو الجزيئات الحيوية الأخرى. هذه هي حالة الكاتيون الحديدي (Fe ²⁺ ) الذي يعد جزءًا من المركز النشط للهيموجلوبين وهو ضروري لنقل الأكسجين في الدم. مثال آخر هو المنغنيزيوم كاتيون (Mg2 +) ، وهو جزء من المركز النشط للكلوروفيل ، صبغة التمثيل الضوئي في النباتات.

كجزء من الأملاح، نجد الكالسيوم في شكل صلب، التي تشكل جزءا من دعم أو حماية هياكل مثل قذائف وقذائف و الهيكل العظمي .

التطبيقات الطبية والصناعية للكاتيونات

للكاتيونات تطبيقات متعددة في الصناعة والطب في شكلها الحر (في محلول) وكجزء من الأملاح. فيما يلي سنرى بعض الأمثلة على استخدام الكاتيونات أو الأملاح في الصناعة والطب.

الكاتيونات المعدنية كعوامل مضادة للميكروبات

و الموجبة الفضة (حج +) له آثار جراثيم في تركيزات منخفضة. في الطب، وهو يستخدم في المقام الأول في علاج الحروق.

على المستوى الصناعي ، تُستخدم أيضًا الكاتيونات المعدنية ، مثل النحاس أو الزنك أو التيتانيوم ، المتضمنة في الجسيمات النانوية ، كعوامل مضادة للميكروبات. في مجالات التطبيق متنوعة مثل تصنيع المنسوجات والأعلاف الحيوانية وصناعة الأدوية ومستحضرات التجميل.

صنع البطاريات الكهربائية

في صناعة بطاريات الليثيوم أيون (Li ⁺ ) القابلة لإعادة الشحن . هذه بطاريات فعالة للغاية وسريعة الشحن مع عمر مفيد يمكن أن يصل إلى 10 سنوات. ميزة أخرى لديهم هي أنها رخيصة الثمن نسبيًا في الإنتاج. هذه البطاريات لها تطبيقات متعددة حيث يتم استخدامها في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والسيارات الكهربائية. حصل مخترعو هذه البطاريات ، Goodenough و Whittingham و Yoshino ، على جائزة نوبل في الكيمياء عام 2019.

التصوير بالرنين المغناطيسي

الكاتيونات هي مغناطيسية ، أي أنها تميل إلى محاذاة نفسها بالتوازي مع المجال المغناطيسي. تستخدم هذه الخاصية في الطب في الحصول على صور لتشخيص المرض أو الإصابة. على وجه التحديد ، تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي مع التباين. التباين هو “صبغة” تصويرية تُعطى مسبقًا للمريض عن طريق الوريد. حلول كاتيون الجادولينيوم (Gd ³⁺ ) التي ترتبط بالمركبات العضوية التي تسمح بتكوين الصور.