Les ions : Formation, Formule et Nomenclature
Contexte : Des atomesUn atome est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est électriquement neutre. aux ionsUn ion est un atome (ou groupe d'atomes) qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Il n'est donc pas électriquement neutre..
Dans la nature, les atomes sont électriquement neutres : ils possèdent autant de protons (charges positives) dans leur noyau que d'électronsL'électron est une particule élémentaire qui possède une charge électrique négative. (charges négatives) qui gravitent autour. Cependant, pour acquérir une plus grande stabilité, semblable à celle des gaz nobles, les atomes peuvent perdre ou gagner des électrons. Ils se transforment alors en ions, des particules chargées électriquement qui sont à la base de nombreuses réactions chimiques.
Remarque Pédagogique : Cet exercice est fondamental pour comprendre comment se forment des composés comme le sel de table (chlorure de sodium) et pour aborder les concepts d'oxydo-réduction et de réactions en solution aqueuse.
Objectifs Pédagogiques
- Comprendre la différence de composition entre un atome et un ion.
- Expliquer comment un atome forme un cationUn ion qui porte une charge électrique positive. Il se forme quand un atome perd des électrons. (ion positif) en perdant des électrons.
- Expliquer comment un atome forme un anionUn ion qui porte une charge électrique négative. Il se forme quand un atome gagne des électrons. (ion négatif) en gagnant des électrons.
- Savoir écrire la formule et donner le nom d'un ion simple (monoatomique).
Données de l'étude
Caractéristiques des atomes
| Caractéristique | Atome de Sodium (Na) | Atome de Chlore (Cl) |
|---|---|---|
| Numéro Atomique (Z) | 11 | 17 |
| Configuration électronique | (K)²(L)⁸(M)¹ | (K)²(L)⁸(M)⁷ |
Transfert d'électron du Sodium vers le Chlore
Questions à traiter
- Expliquer pourquoi l'atome de sodium (Na) a tendance à former un ion Na⁺.
- Écrire la demi-équation de réaction correspondante à cette transformation.
- Expliquer pourquoi l'atome de chlore (Cl) a tendance à former un ion Cl⁻.
- Écrire la demi-équation de réaction correspondante.
- Déterminer la composition (nombre de protons et d'électrons) de l'ion sodium et de l'ion chlorure.
Les bases sur la Formation des Ions
1. Formation des Cations (Ions Positifs)
Un cation se forme lorsqu'un atome (généralement un métal) perd un ou plusieurs électrons de sa couche externe pour atteindre la stabilité. Comme il y a alors plus de protons (positifs) que d'électrons (négatifs), l'ion est chargé positivement.
\[ \text{Atome} \longrightarrow \text{Cation}^{n+} + n e^- \]
2. Formation des Anions (Ions Négatifs)
Un anion se forme lorsqu'un atome (généralement un non-métal) gagne un ou plusieurs électrons pour compléter sa couche externe et devenir stable. L'excès d'électrons lui confère une charge négative.
\[ \text{Atome} + n e^- \longrightarrow \text{Anion}^{n-} \]
Correction : Les ions : Formation, Formule et Nomenclature
Question 1 : Expliquer pourquoi l'atome de sodium (Na) a tendance à former un ion Na⁺.
Principe
Les atomes cherchent à atteindre une configuration électronique stable, c'est-à-dire à avoir leur couche électronique externe remplie, comme les gaz nobles. C'est la règle de l'octetRègle de chimie selon laquelle les atomes tendent à s'arranger de manière à avoir huit électrons sur leur couche de valence, comme les gaz nobles..
Mini-Cours
La couche électronique externe est aussi appelée "couche de valence". Les électrons sur cette couche sont les "électrons de valence". Ce sont eux qui participent aux réactions chimiques. Pour les éléments des 3 premières périodes du tableau périodique, la stabilité est atteinte quand la couche de valence contient 8 électrons (un "octet").
Donnée(s)
| Atome | Numéro Atomique (Z) | Configuration Électronique |
|---|---|---|
| Sodium (Na) | 11 | (K)²(L)⁸(M)¹ |
Réflexions
La couche externe de l'atome de sodium (la couche M) ne contient qu'un seul électron. Pour devenir stable, l'atome a deux choix théoriques : soit gagner 7 électrons pour remplir la couche M (ce qui est énergétiquement très difficile), soit perdre l'unique électron de la couche M. En perdant cet électron, sa nouvelle couche externe devient la couche L, qui est déjà pleine avec 8 électrons. C'est la solution la plus simple.
Transformation de l'atome de Sodium en ion
Points de vigilance
Ne pas confondre la stabilité électronique avec la neutralité électrique. L'atome de sodium est neutre mais instable, tandis que l'ion sodium est stable mais chargé positivement. L'objectif premier pour l'atome est la stabilité électronique.
Points à retenir
Les métaux, situés à gauche du tableau périodique, ont peu d'électrons de valence. Ils ont donc tendance à les perdre pour obtenir la configuration du gaz noble qui les précède. Ils forment des cations (ions positifs).
Résultat Final
Question 2 : Écrire la demi-équation de réaction correspondante à cette transformation.
Principe
Une demi-équation de réaction doit être équilibrée : il faut qu'il y ait conservation des éléments chimiques et conservation de la charge électrique globale entre les réactifs (à gauche) et les produits (à droite).
Mini-Cours
Une demi-équation électronique montre l'échange d'électrons pour une seule espèce chimique. Pour une perte d'électrons (oxydation), les électrons sont écrits du côté des produits. Pour un gain d'électrons (réduction), ils sont du côté des réactifs.
Formule(s)
Réflexions
Cette équation montre qu'un atome de sodium (Na), initialement neutre, se transforme en un ion sodium (Na⁺), de charge +1, en libérant un électron (e⁻), de charge -1. On peut vérifier les charges : à gauche, la charge est 0. À droite, la charge est (+1) + (-1) = 0. L'équation est bien équilibrée.
Points de vigilance
Attention au sens : Dans la formation d'un cation, l'atome est le réactif. L'ion et le ou les électron(s) sont les produits. L'électron (e⁻) doit donc apparaître à droite de la flèche.
Points à retenir
La formation d'un cation (perte d'électrons) s'écrit toujours sous la forme :
Atome → Ion⁺ + électron(s).
Question 3 : Expliquer pourquoi l'atome de chlore (Cl) a tendance à former un ion Cl⁻.
Principe
Comme pour le sodium, l'atome de chlore cherche à obtenir 8 électrons sur sa couche externe pour respecter la règle de l'octet et devenir stable.
Mini-Cours
Les non-métaux, comme le chlore, sont situés à droite dans le tableau périodique (hors gaz nobles). Leur couche de valence est presque pleine. Il leur faut donc peu d'énergie pour capter les quelques électrons manquants afin d'atteindre l'octet, ce qui en fait des atomes "avides" d'électrons.
Donnée(s)
| Atome | Numéro Atomique (Z) | Configuration Électronique |
|---|---|---|
| Chlore (Cl) | 17 | (K)²(L)⁸(M)⁷ |
Réflexions
La couche externe de l'atome de chlore (la couche M) contient 7 électrons. Pour devenir stable, il lui est beaucoup plus facile de gagner 1 électron pour compléter sa couche à 8, plutôt que d'en perdre 7. En gagnant un électron, il acquiert une structure électronique stable.
Transformation de l'atome de Chlore en ion
Points de vigilance
L'erreur commune est de penser qu'un atome ne peut que perdre des électrons. Il faut bien regarder la configuration électronique : si la couche externe est presque pleine, l'atome préfèrera en gagner.
Points à retenir
Les non-métaux, situés à droite du tableau périodique, ont beaucoup d'électrons de valence. Ils ont donc tendance à en gagner pour obtenir la configuration du gaz noble qui les suit. Ils forment des anions (ions négatifs).
Résultat Final
Question 4 : Écrire la demi-équation de réaction correspondante.
Principe
La conservation des éléments et des charges doit également être respectée pour la formation d'un anion.
Mini-Cours
Le nom d'un anion monoatomique se forme en prenant la racine du nom de l'élément et en y ajoutant le suffixe "-ure". Par exemple, Chlore → Chlorure, Soufre → Sulfure, Oxygène → Oxyde.
Formule(s)
Réflexions
Cette équation montre qu'un atome de chlore (Cl), neutre, et un électron (e⁻), de charge -1, réagissent pour former un ion chlorure (Cl⁻), de charge -1. On vérifie les charges : à gauche, 0 + (-1) = -1. À droite, la charge est -1. L'équation est équilibrée.
Points de vigilance
Attention au sens : Pour former un anion, l'atome doit "capter" un électron. L'électron (e⁻) est donc un réactif et doit apparaître à gauche de la flèche.
Points à retenir
La formation d'un anion (gain d'électrons) s'écrit toujours sous la forme :
Atome + électron(s) → Ion⁻.
Question 5 : Déterminer la composition de l'ion sodium et de l'ion chlorure.
Principe
Le principe fondamental est que l'identité d'un élément chimique est définie uniquement par le nombre de protons dans son noyau. Lors de la formation d'un ion, le noyau reste intact. Seul le nombre d'électrons dans le cortège électronique est modifié, ce qui change la charge électrique globale de la particule.
Mini-Cours
La charge électrique d'un ion est la différence entre le nombre de protons (charges positives) et le nombre d'électrons (charges négatives). Un atome est neutre car il a autant de protons que d'électrons. Un ion est chargé car ce n'est plus le cas. On peut donc toujours vérifier la cohérence de la composition d'un ion avec sa charge.
Remarque Pédagogique
Pensez-y comme un bilan de charges. Le nombre de protons est votre "crédit" de charges positives, il ne bouge pas. Les électrons sont vos "dettes". Si vous perdez une dette (un électron), vous êtes plus "riche" (positif). Si vous gagnez une dette (un électron), vous êtes plus "endetté" (négatif).
Normes
Il n'y a pas de "norme" réglementaire ici, mais une convention d'écriture universelle en chimie : le nombre de protons est désigné par Z, et le nombre d'électrons par Nₑ.
Formule(s)
Détermination du nombre de protons
Détermination du nombre d'électrons
Hypothèses
Nous travaillons dans le cadre de la formation d'ions monoatomiques (formés à partir d'un seul atome) et nous considérons les charges comme des multiples entiers de la charge élémentaire.
Donnée(s)
| Atome d'origine | Numéro Atomique (Z) | Ion formé |
|---|---|---|
| Sodium (Na) | 11 | Na⁺ (charge +1) |
| Chlore (Cl) | 17 | Cl⁻ (charge -1) |
Astuces
Une astuce simple pour ne pas se tromper de signe : Cation (positif) a un 't' comme un signe '+'. Anion (négatif) contient un 'n' comme 'négatif'.
Schéma (Avant les calculs)
Représentation simplifiée des atomes neutres
Au départ, les atomes sont électriquement neutres.
Calcul(s)
Étape 1 : Composition de l'ion Sodium (Na⁺)
Le nombre de protons est toujours égal au numéro atomique Z.
Calcul des Protons (Na⁺)
L'atome de sodium a perdu 1 électron, sa charge est donc de +1. Le nombre d'électrons est donc :
Calcul des Électrons (Na⁺)
Étape 2 : Composition de l'ion Chlorure (Cl⁻)
Le nombre de protons ne change pas.
Calcul des Protons (Cl⁻)
L'atome de chlore a gagné 1 électron, sa charge est donc de -1. Le nombre d'électrons est donc :
Calcul des Électrons (Cl⁻)
Schéma (Après les calculs)
Voici une représentation visuelle des ions formés après le transfert d'électron. On voit bien que le nombre de protons est inchangé, alors que le nombre d'électrons a été modifié, ce qui crée la charge de l'ion.
Composition des Ions Formés
Réflexions
On vérifie bien que pour l'ion sodium Na⁺, il y a un proton de plus que d'électrons (11 p⁺ > 10 e⁻), ce qui explique sa charge de +1. Inversement, pour l'ion chlorure Cl⁻, il y a un électron de plus que de protons (18 e⁻ > 17 p⁺), expliquant sa charge de -1. Les deux ions ont maintenant une couche externe stable avec 8 électrons.
Points de vigilance
L'erreur la plus commune est d'inverser l'opération : se dire qu'une charge '+' signifie qu'on a 'ajouté' quelque chose. Il faut toujours se souvenir que ce sont les électrons, qui sont négatifs, qui bougent. Perdre une charge négative rend l'ensemble plus positif.
Points à retenir
Pour déterminer la composition d'un ion, retenez ces trois points :
- Le nombre de protons est TOUJOURS égal au numéro atomique Z.
- Pour un CATION (ion +), le nombre d'électrons est Z moins la valeur de la charge.
- Pour un ANION (ion -), le nombre d'électrons est Z plus la valeur de la charge.
Le saviez-vous ?
Le mot "ion" a été créé par le scientifique Michael Faraday à partir du mot grec ἰόν (ion), qui signifie "allant", "qui va". Il a choisi ce terme pour décrire les espèces chimiques qui se déplacent (qui "vont") vers une électrode lorsqu'un champ électrique est appliqué à une solution.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
L'atome de Calcium (Ca, Z=20) forme un ion Ca²⁺. Quelle est sa composition en protons et électrons ?
Outil Interactif : Simulateur d'Ions
Utilisez les curseurs pour choisir un atome (via son numéro atomique Z) et le nombre d'électrons qu'il perd ou gagne, puis observez l'ion qui en résulte.
Paramètres de l'Atome
Ion Formé
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Qu'est-ce qu'un cation ?
2. L'atome de magnésium (Mg, Z=12) forme l'ion Mg²⁺. Combien d'électrons possède cet ion ?
3. Comment nomme-t-on l'ion formé par l'atome de Soufre (S) qui gagne deux électrons ?
4. Un ion possède 13 protons et 10 électrons. Quelle est sa formule ?
5. Pourquoi l'atome de chlore (Z=17) forme-t-il un ion Cl⁻ ?
Glossaire
- Ion
- Atome ou groupe d'atomes ayant perdu ou gagné un ou plusieurs électrons, et possédant donc une charge électrique.
- Cation
- Ion de charge positive, formé par la perte d'un ou plusieurs électrons.
- Anion
- Ion de charge négative, formé par le gain d'un ou plusieurs électrons.
- Électron
- Particule élémentaire de charge négative qui gravite autour du noyau de l'atome.
- Règle de l'octet
- Tendance des atomes à acquérir une configuration électronique externe stable avec huit électrons, semblable à celle des gaz nobles.
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