Exercices Physique Chimie

Tests de reconnaissance des ions 

Chimie : Tests de Reconnaissance des Ions

Tests de reconnaissance des ions (cations métalliques et anions courants)

Contexte : L'enquête chimique

En chimie, les solutions aqueuses sont souvent incolores, même si elles contiennent de nombreux ions dissous. Comment savoir ce qui se cache dans un tube à essai ? Les chimistes agissent comme des détectives : ils utilisent des réactifs spécifiques qui, en présence d'un ion particulier, provoquent une réaction visible. La réaction la plus courante est la formation d'un précipité, un solide insoluble qui apparaît et trouble la solution. La couleur de ce précipité est souvent une "signature" qui permet d'identifier l'ion qui était présent. Cet exercice a pour but de se familiariser avec les tests de reconnaissance les plus courants.

Remarque Pédagogique : Ces tests de reconnaissance sont à la base de la chimie analytique qualitative. Apprendre à les réaliser et à interpréter les résultats est une compétence fondamentale en travaux pratiques. C'est une démarche scientifique pure : on observe un phénomène (un changement de couleur, un précipité) et on en déduit une conclusion (la présence de tel ou tel ion).

Objectifs Pédagogiques

  • Connaître les réactifs utilisés pour identifier les ions courants.
  • Savoir décrire un test de reconnaissance (protocole expérimental).
  • Associer la couleur d'un précipité à l'ion métallique correspondant.
  • Écrire l'équation de la réaction de précipitation.
  • Interpréter les résultats d'une série de tests pour identifier le contenu d'une solution inconnue.

Données de l'étude

Un laborantin a préparé quatre solutions, mais a oublié de les étiqueter. Il sait qu'elles contiennent respectivement des ions cuivre (II) \(\text{Cu}^{2+}\), des ions fer (II) \(\text{Fe}^{2+}\), des ions fer (III) \(\text{Fe}^{3+}\) et des ions chlorure \(\text{Cl}^-\). Il dispose de deux flacons de réactifs pour les identifier.

Matériel de l'enquête
A B C D Soude (NaOH) Nitrate d'argent (AgNO₃)

Données des tests :

  • Le test à la soude (solution d'hydroxyde de sodium, contenant des ions \(\text{HO}^-\)) permet d'identifier les ions métalliques.
  • Le test au nitrate d'argent (contenant des ions argent \(\text{Ag}^+\)) permet d'identifier les ions chlorure.
  • Les précipités formés ont des couleurs caractéristiques :
    • Hydroxyde de cuivre (II), \(\text{Cu(OH)}_2\), est un précipité bleu.
    • Hydroxyde de fer (II), \(\text{Fe(OH)}_2\), est un précipité vert.
    • Hydroxyde de fer (III), \(\text{Fe(OH)}_3\), est un précipité rouille (orange-brun).
    • Chlorure d'argent, \(\text{AgCl}\), est un précipité blanc qui noircit à la lumière.

Questions à traiter

Le laborantin réalise les tests suivants :

  • En ajoutant de la soude dans le tube A, il obtient un précipité bleu.
  • En ajoutant de la soude dans le tube B, il obtient un précipité rouille.
  • En ajoutant de la soude dans le tube C, il obtient un précipité vert.
  • En ajoutant du nitrate d'argent dans le tube D, il obtient un précipité blanc.
  1. Identifier l'ion présent dans le tube A. Écrire l'équation de la réaction de précipitation.
  2. Identifier l'ion présent dans le tube B. Écrire l'équation de la réaction de précipitation.
  3. Identifier l'ion présent dans le tube C. Écrire l'équation de la réaction de précipitation.
  4. Identifier l'ion présent dans le tube D. Écrire l'équation de la réaction de précipitation.

Correction : Tests de reconnaissance des ions (cations métalliques et anions courants)

Question 1 : Identification dans le tube A

Principe :
Bleu

On ajoute un réactif (ici, la soude) à une solution inconnue. Si un ion spécifique est présent, il réagit avec le réactif pour former un nouveau composé solide et insoluble, le précipité. La couleur de ce précipité est un indice pour identifier l'ion.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Le réactif (la soude) apporte les ions hydroxyde \(\text{HO}^-\). Ces ions s'associent avec les ions métalliques présents dans la solution pour former un précipité d'hydroxyde métallique, qui est insoluble dans l'eau.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Ion Cuivre (II)} + \text{Ion Hydroxyde} \rightarrow \text{Hydroxyde de cuivre (II)} \]
\[ \text{Cu}^{2+}_{\text{(aq)}} + 2\text{HO}^{-}_{\text{(aq)}} \rightarrow \text{Cu(OH)}_{2\text{(s)}} \]
Donnée(s) :
  • Réactif ajouté : Soude (contient \(\text{HO}^-\)).
  • Observation : Précipité bleu.
  • Information du cours : Un précipité bleu avec la soude caractérise la présence d'ions cuivre (II) \(\text{Cu}^{2+}\).
Calcul(s) :

Il n'y a pas de calcul numérique, mais une déduction logique :

  1. L'observation est un précipité bleu.
  2. La donnée indique que le précipité bleu d'hydroxyde de cuivre (II) identifie les ions \(\text{Cu}^{2+}\).
  3. Conclusion : Le tube A contenait des ions cuivre (II).

Points de vigilance :

Ajuster les charges ! L'ion cuivre a une charge de 2+, tandis que l'ion hydroxyde a une charge de 1-. Pour former un composé neutre, il faut deux ions \(\text{HO}^-\) pour chaque ion \(\text{Cu}^{2+}\). C'est pourquoi on écrit \(\text{Cu(OH)}_2\).

Le saviez-vous ?

La bouillie bordelaise, un fongicide bien connu des jardiniers utilisé pour protéger les vignes et les tomates, est une solution contenant des ions cuivre (II). Sa couleur bleue caractéristique est due à la présence de ces ions.

FAQ en rapport avec la question :
Que signifient les indices (aq) et (s) ?

L'indice (aq) signifie "aqueux", c'est-à-dire que l'espèce chimique est dissoute dans l'eau. L'indice (s) signifie "solide", et désigne ici le précipité qui s'est formé et n'est plus dissous.

Résultat : Le tube A contient des ions cuivre (II) \(\text{Cu}^{2+}\). L'équation de la réaction est : \(\text{Cu}^{2+}_{\text{(aq)}} + 2\text{HO}^{-}_{\text{(aq)}} \rightarrow \text{Cu(OH)}_{2\text{(s)}}\).

Question 2 : Identification dans le tube B

Principe :
Rouille

Le même test est appliqué. La couleur du précipité obtenu va nous permettre d'identifier un autre type d'ion métallique.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Les ions fer existent sous deux formes courantes : fer (II) \(\text{Fe}^{2+}\) et fer (III) \(\text{Fe}^{3+}\). Il est crucial de les distinguer, car ils ne donnent pas la même couleur de précipité. La couleur "rouille" est la signature de l'ion fer (III).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Ion Fer (III)} + \text{Ion Hydroxyde} \rightarrow \text{Hydroxyde de fer (III)} \]
\[ \text{Fe}^{3+}_{\text{(aq)}} + 3\text{HO}^{-}_{\text{(aq)}} \rightarrow \text{Fe(OH)}_{3\text{(s)}} \]
Donnée(s) :
  • Réactif ajouté : Soude (contient \(\text{HO}^-\)).
  • Observation : Précipité rouille.
  • Information du cours : Un précipité rouille avec la soude caractérise la présence d'ions fer (III) \(\text{Fe}^{3+}\).
Calcul(s) :

Déduction logique :

  1. L'observation est un précipité rouille.
  2. La donnée indique que le précipité rouille d'hydroxyde de fer (III) identifie les ions \(\text{Fe}^{3+}\).
  3. Conclusion : Le tube B contenait des ions fer (III).

Points de vigilance :

Équilibrer les charges (encore !) : L'ion fer (III) a une charge de 3+. Il faut donc trois ions hydroxyde (charge 1- chacun) pour former un composé neutre : \(\text{Fe(OH)}_3\).

Le saviez-vous ?

La rouille qui se forme sur les objets en fer ou en acier est justement de l'hydroxyde de fer (III) et de l'oxyde de fer (III). C'est le résultat de l'oxydation lente des atomes de fer en ions \(\text{Fe}^{2+}\) puis \(\text{Fe}^{3+}\) au contact de l'oxygène de l'air et de l'eau.

FAQ en rapport avec la question :
Pourquoi y a-t-il des ions Fer (II) et Fer (III) ?

L'atome de fer peut perdre soit 2, soit 3 électrons pour former un ion. Ces deux états sont relativement stables, ce qui explique pourquoi on trouve ces deux types d'ions dans la nature et en chimie. Il est donc essentiel de les différencier.

Résultat : Le tube B contient des ions fer (III) \(\text{Fe}^{3+}\). L'équation de la réaction est : \(\text{Fe}^{3+}_{\text{(aq)}} + 3\text{HO}^{-}_{\text{(aq)}} \rightarrow \text{Fe(OH)}_{3\text{(s)}}\).

Question 3 : Identification dans le tube C

Principe :
Vert

Encore une fois, on utilise la soude. L'apparition d'un précipité vert est la signature de l'autre ion fer commun.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Mémoriser les couleurs est essentiel. Bleu -> Cuivre (II), Rouille -> Fer (III), Vert -> Fer (II). Ce sont les trois tests de cations métalliques les plus importants au collège.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Ion Fer (II)} + \text{Ion Hydroxyde} \rightarrow \text{Hydroxyde de fer (II)} \]
\[ \text{Fe}^{2+}_{\text{(aq)}} + 2\text{HO}^{-}_{\text{(aq)}} \rightarrow \text{Fe(OH)}_{2\text{(s)}} \]
Donnée(s) :
  • Réactif ajouté : Soude (contient \(\text{HO}^-\)).
  • Observation : Précipité vert.
  • Information du cours : Un précipité vert avec la soude caractérise la présence d'ions fer (II) \(\text{Fe}^{2+}\).
Calcul(s) :

Déduction logique :

  1. L'observation est un précipité vert.
  2. La donnée indique que le précipité vert d'hydroxyde de fer (II) identifie les ions \(\text{Fe}^{2+}\).
  3. Conclusion : Le tube C contenait des ions fer (II).

Points de vigilance :

Oxydation à l'air : Le précipité vert d'hydroxyde de fer (II) est instable. Au contact de l'oxygène de l'air, il s'oxyde rapidement et prend une couleur rouille. Il faut donc noter la couleur verte dès son apparition !

Le saviez-vous ?

Les ions fer (II) sont des nutriments importants pour de nombreux organismes, y compris les humains (ils sont un composant de l'hémoglobine dans le sang). On les trouve dans les aliments comme la viande rouge et les lentilles.

FAQ en rapport avec la question :
Peut-on utiliser un autre réactif que la soude ?

Oui, toute solution contenant des ions hydroxyde \(\text{HO}^-\) (une "base") fonctionnera. La soude (hydroxyde de sodium) est simplement la plus couramment utilisée en laboratoire car elle est peu coûteuse et efficace.

Résultat : Le tube C contient des ions fer (II) \(\text{Fe}^{2+}\). L'équation de la réaction est : \(\text{Fe}^{2+}_{\text{(aq)}} + 2\text{HO}^{-}_{\text{(aq)}} \rightarrow \text{Fe(OH)}_{2\text{(s)}}\).

Question 4 : Identification dans le tube D

Principe :
Blanc

Pour identifier les anions comme l'ion chlorure, on utilise un autre réactif. Ici, le nitrate d'argent. Les ions argent \(\text{Ag}^+\) réagissent avec les ions chlorure \(\text{Cl}^-\) pour former un précipité caractéristique.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Chaque type d'ion a son propre test de reconnaissance. Il faut bien associer le réactif à l'ion que l'on cherche. On ne cherche pas des ions chlorure avec de la soude, ni des ions cuivre avec du nitrate d'argent.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Ion Argent} + \text{Ion Chlorure} \rightarrow \text{Chlorure d'argent} \]
\[ \text{Ag}^{+}_{\text{(aq)}} + \text{Cl}^{-}_{\text{(aq)}} \rightarrow \text{AgCl}_{\text{(s)}} \]
Donnée(s) :
  • Réactif ajouté : Nitrate d'argent (contient \(\text{Ag}^+\)).
  • Observation : Précipité blanc.
  • Information du cours : Un précipité blanc qui noircit à la lumière avec le nitrate d'argent caractérise la présence d'ions chlorure \(\text{Cl}^-\).
Calcul(s) :

Déduction logique :

  1. L'observation est un précipité blanc.
  2. La donnée indique que le précipité blanc de chlorure d'argent identifie les ions \(\text{Cl}^-\).
  3. Conclusion : Le tube D contenait des ions chlorure.

Points de vigilance :

Noircit à la lumière. C'est un détail important. D'autres ions peuvent donner un précipité blanc avec d'autres réactifs. La particularité du chlorure d'argent est de noircir lorsqu'il est exposé à la lumière, ce qui confirme le test.

Le saviez-vous ?

Cette propriété du chlorure d'argent à noircir à la lumière est à la base de la photographie argentique ! Les pellicules photo étaient recouvertes d'une émulsion contenant des sels d'argent. La lumière de l'image projetée par l'objectif provoquait une réaction chimique, "imprimant" un négatif sur la pellicule.

FAQ en rapport avec la question :
Pourquoi les charges s'équilibrent-elles avec un ion de chaque ?

L'ion argent a une charge 1+ (\(\text{Ag}^+\)) et l'ion chlorure a une charge 1- (\(\text{Cl}^-\)). La somme des charges (+1) + (-1) est égale à 0. Il suffit donc d'un ion de chaque pour former le composé neutre \(\text{AgCl}\).

Résultat : Le tube D contient des ions chlorure \(\text{Cl}^-\). L'équation de la réaction est : \(\text{Ag}^{+}_{\text{(aq)}} + \text{Cl}^{-}_{\text{(aq)}} \rightarrow \text{AgCl}_{\text{(s)}}\).

Simulation de Laboratoire Virtuel

Choisissez un tube à essai contenant une solution inconnue, puis ajoutez un réactif pour l'identifier.

Paillasse du Chimiste
Observation
Sélectionnez une solution et un réactif.

Pour Aller Plus Loin : Les Limites de Détection

Peut-on détecter une seule molécule ? Les tests par précipitation sont très pratiques, mais ils ne sont pas infiniment sensibles. Il faut une certaine concentration d'ions dans la solution pour que le précipité soit visible à l'œil nu. Pour détecter des traces infimes d'ions (par exemple pour analyser la pollution d'une rivière ou pour des analyses médicales), les scientifiques utilisent des techniques beaucoup plus sophistiquées comme la spectrométrie d'absorption atomique ou la chromatographie ionique, qui peuvent détecter des quantités des milliards de fois plus petites.

Le Saviez-Vous ?

Le test de reconnaissance de l'ion chlorure par le nitrate d'argent est utilisé dans la vie de tous les jours pour vérifier la salinité de l'eau des piscines ou des aquariums. Des bandelettes de test contiennent du nitrate d'argent qui réagit avec les ions chlorure de l'eau salée.

Foire Aux Questions (FAQ)

Que se passe-t-il si on met de la soude dans la solution contenant des ions chlorure ?

Rien de visible. Les ions sodium (\(\text{Na}^+\)) de la soude et les ions chlorure (\(\text{Cl}^-\)) sont tous deux très solubles dans l'eau. Ils restent sous forme d'ions dissous, et aucun précipité ne se forme. La solution reste limpide. C'est pourquoi il faut utiliser le bon réactif pour le bon ion.

Tous les solides formés en chimie sont-ils des précipités ?

Non. Un précipité est un solide qui se forme spécifiquement au sein d'une solution liquide lors d'une réaction chimique. Si vous faites évaporer de l'eau salée, vous obtiendrez du sel solide, mais ce n'est pas un précipité, c'est un résidu d'évaporation. La nuance est importante !

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. On ajoute de la soude à une solution inconnue et on observe un précipité bleu. Cette solution contient des ions :

2. Quel réactif faut-il utiliser pour mettre en évidence la présence d'ions chlorure \(\text{Cl}^-\) ?

Glossaire

Ion
Atome ou groupe d'atomes qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons, et qui porte donc une charge électrique.
Réactif
Substance ou solution utilisée pour provoquer une réaction chimique et révéler la présence d'une autre substance.
Précipité
Solide insoluble qui se forme dans une solution liquide à la suite d'une réaction chimique. Sa couleur est souvent un indice d'identification.
Cation
Ion chargé positivement. Il est formé lorsqu'un atome perd des électrons.
Anion
Ion chargé négativement. Il est formé lorsqu'un atome gagne des électrons.
Tests de reconnaissance des ions (cations métalliques et anions courants)

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