Les ions : composition et bilan de charge

Un atome est électriquement neutre. Ce n'est pas une propriété magique : c'est un simple comptage. Son noyau contient $Z$ protons, chacun portant une charge positive, et autour du noyau se répartissent exactement $Z$ électrons, chacun portant une charge négative. Autant de $+$ que de $-$ : le bilan est nul.

Un ion est un atome — ou un groupe d'atomes — qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Il porte donc une charge électrique non nulle.

Ce qui reste inchangé dans l'ionisation chimique étudiée. Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome, et ses protons y sont retenus par des forces bien plus intenses que tout ce qui se joue en chimie. Les électrons, eux, occupent tout le volume extérieur : c'est leur répartition et leur nombre autour d'un noyau qui peuvent changer lors de l'ionisation étudiée. Les noyaux peuvent évidemment se déplacer dans l'espace ; leur composition est conservée dans ce modèle chimique. D'où la règle qui commande tout le reste :

En chimie, le nombre de protons ne change jamais. Pour l'ion monoatomique étudié, le nombre d'électrons change, pas le nombre de protons du noyau.

Deux cas, deux noms :

• l'atome perd des électrons : il lui reste plus de $+$ que de $-$, sa charge est positive. C'est un cation ;
• l'atome gagne des électrons : il a plus de $-$ que de $+$, sa charge est négative. C'est un anion.

La charge se note en exposant, à droite du symbole, et se compte en nombre de charges élémentaires : $\mathrm{Na^{+}}$, $\mathrm{Mg^{2+}}$, $\mathrm{Cl^{-}}$, $\mathrm{O^{2-}}$. Quand il n'y a qu'une charge, on écrit seulement le signe.

Compare la troisième colonne et la cinquième : le nombre d'électrons diminue pour un ion positif et augmente pour un ion négatif. C'est déroutant la première fois, et c'est pourtant logique : enlever une charge négative rend le bilan positif.

Rien à apprendre par cœur ici. Le numéro atomique $Z$ ne se retient pas : il est donné dans l'énoncé, ou se lit dans la classification périodique des éléments, ce tableau fourni avec le sujet où chaque case porte le symbole de l'élément, son nom et son numéro atomique — le petit nombre entier écrit à côté du symbole. Savoir y retrouver un élément à partir de son nom, et l'inverse, fait partie du programme. Une fois $Z$ connu, tout le reste se déduit.

1. Un ion n'est pas toujours un atome seul. Certains ions sont des groupes d'atomes liés entre eux qui portent globalement une charge : on les dit polyatomiques. Les plus utiles en 3e :

La charge appartient au groupe entier, pas à l'un de ses atomes. $\mathrm{SO_4^{2-}}$ ne signifie pas « un soufre chargé $2-$ entouré de quatre oxygènes » : le groupe possède deux électrons de plus que le total des atomes neutres correspondants. C'est un bilan de composition et de charge, pas l'affirmation d'un mécanisme de formation par capture d'électrons par cinq atomes libres.

2. L'électroneutralité : une hypothèse du modèle des échantillons étudiés. Les solutions et solides ioniques de ces exercices sont supposés globalement neutres : les charges positives et négatives se compensent. Il existe aussi des objets chargés ; on ne teste jamais cette propriété avec le corps ou le doigt.

Pour un échantillon neutre contenant uniquement les deux espèces ioniques considérées, cette règle donne un outil de calcul. Si d'autres ions sont présents, leurs charges doivent aussi entrer dans le bilan. Chaque cation apporte un certain nombre de charges positives, chaque anion un certain nombre de charges négatives, et les deux totaux sont égaux :

Conséquence à retenir : il n'y a pas forcément autant d'ions des deux sortes. Dans le chlorure de calcium, l'ion $\mathrm{Ca^{2+}}$ apporte deux charges positives alors que l'ion $\mathrm{Cl^{-}}$ n'apporte qu'une charge négative : il faut donc deux fois plus d'ions chlorure que d'ions calcium.

3. Un solide ionique n'est pas fait de molécules. Le chlorure de sodium ne contient pas de « molécules NaCl » : c'est un empilement régulier d'ions $\mathrm{Na^{+}}$ et d'ions $\mathrm{Cl^{-}}$, alternés, qui se tiennent par attraction entre charges opposées. La formule $\mathrm{NaCl}$ ne décrit donc pas un objet individuel : elle annonce une proportion, un ion sodium pour un ion chlorure. Établir cette formule à partir des charges des ions se travaille en seconde ; en 3e, elle t'est donnée.

4. Les solutions ioniques conduisent le courant. Quand un solide ionique se dissout dans l'eau, ses ions se séparent les uns des autres et deviennent libres de se déplacer. Comme ils sont chargés, leur déplacement d'ensemble est un courant électrique. C'est pour cela que l'eau salée conduit alors que l'eau distillée conduit très mal : dans une solution, ce sont les ions — et non des électrons libres comme dans un métal — qui transportent la charge.

5. Repérer un ion parmi des candidats. Dans les documents de cette leçon, on étudie des solutions simples à ions candidats connus et des tests encadrés, sans interférences. Un précipité est un solide qui apparaît dans le liquide ; sa couleur seule n'est pas une identification universelle. Les observations usuelles suivantes supposent des conditions adaptées, sans excès de soude pour les hydroxydes :

Interprète le test avec le réactif, les candidats et les conditions. D'autres ions peuvent donner un précipité blanc. Le zinc peut redissoudre en excès de soude ; le test des chlorures est habituellement conduit dans un milieu préalablement adapté pour limiter des interférences. Ce tableau n'est pas un protocole à pratiquer seul.

Ce que tu verras au lycée. Pourquoi l'ion monoatomique usuel du sodium dans les composés étudiés est-il $\mathrm{Na^{+}}$ ? Pourquoi l'oxygène donne-t-il $\mathrm{O^{2-}}$ ? La réponse tient à la façon dont les électrons se rangent autour du noyau — la configuration électronique — qui s'étudie en seconde. En 3e, la charge des ions usuels t'est fournie.

On étudie le sulfate d'aluminium, un solide ionique formé d'ions aluminium $\mathrm{Al^{3+}}$ et d'ions sulfate $\mathrm{SO_4^{2-}}$. Données : $Z(\mathrm{Al}) = 13$, $Z(\mathrm{S}) = 16$, $Z(\mathrm{O}) = 8$.

1. L'atome d'aluminium. Son numéro atomique vaut 13 : son noyau contient 13 protons, donc l'atome neutre possède 13 électrons.

2. L'ion aluminium $\mathrm{Al^{3+}}$. L'exposant $3+$ annonce trois charges positives de trop. Comme le noyau ne change pas, ces trois charges viennent d'électrons perdus :

Vérification : 13 charges positives (les protons) et 10 charges négatives (les électrons) donnent bien un bilan de $13 - 10 = +3$. Et le nombre de protons est resté 13.

3. L'ion sulfate $\mathrm{SO_4^{2-}}$. Il regroupe 1 atome de soufre et 4 atomes d'oxygène. Les atomes neutres correspondants totalisent

L'exposant $2-$ annonce deux charges négatives de trop : le groupe possède deux électrons supplémentaires par rapport à ce total neutre ; cela ne décrit pas son mécanisme réel de formation.

Les protons, eux, restent au nombre de $16 + 4 \times 8 = 48$. Bilan : $48 - 50 = -2$. C'est bien la charge annoncée.

4. Combien d'ions de chaque sorte ? On modélise un très petit échantillon de sulfate d'aluminium qui contient 300 ions $\mathrm{Al^{3+}}$. Combien d'ions sulfate contient-il ?

Chaque ion aluminium porte 3 charges positives :

Le solide est électriquement neutre : il faut exactement 900 charges négatives pour les compenser. Chaque ion sulfate en porte 2 :

5. Le résultat a-t-il du sens ? Il y a plus d'ions sulfate (450) que d'ions aluminium (300), et c'est normal : chaque sulfate n'apporte que 2 charges là où chaque aluminium en apporte 3, il en faut donc davantage. La proportion est de 450 pour 300, soit 3 ions sulfate pour 2 ions aluminium.

Réflexe d'auto-contrôle : après un calcul d'électroneutralité, demande-toi toujours quelle sorte d'ion devrait être la plus nombreuse. C'est celle qui porte le moins de charges par ion.

Figure (fig.chemistry.ion-formation, SVG existant ; schémas de comptage, sans orbites réelles) : deux transformations placées l'une au-dessus de l'autre, sur le même modèle, pour que la symétrie saute aux yeux.

• Ligne du haut — un cation. À gauche, l'atome de sodium : un disque central étiqueté « noyau : 11 protons », entouré d'un nuage où sont dessinés 11 petits points marqués d'un signe $-$, avec la légende « 11 électrons ». Sous le schéma, un bandeau de bilan : « 11 charges $+$ / 11 charges $-$ → bilan 0 ». Au centre, une flèche horizontale portant l'étiquette « $-\,1$ électron » et, sous elle, un électron isolé qui s'échappe vers le haut. À droite, l'ion sodium $\mathrm{Na^{+}}$ : le même disque central, toujours étiqueté « noyau : 11 protons » (souligné : inchangé), un nuage à 10 points, et le bandeau « 11 charges $+$ / 10 charges $-$ → bilan $+1$ ».
• Ligne du bas — un anion. Même mise en page. À gauche, l'atome de chlore : « noyau : 17 protons », 17 points, bilan 0. Flèche centrale « $+\,1$ électron », avec un électron qui arrive de l'extérieur. À droite, l'ion chlorure $\mathrm{Cl^{-}}$ : « noyau : 17 protons » (inchangé), 18 points, bandeau « 17 charges $+$ / 18 charges $-$ → bilan $-1$ ».
• Distinction sans couleur. Le disque du noyau du cation est bordé d'un trait plein, celui de l'anion d'un trait hachuré, et chaque bandeau de bilan porte le signe du résultat écrit en toutes lettres : aucune information n'est portée par la seule couleur.
• Encadré en bas de figure : « Le noyau ne change jamais. Seul le nombre d'électrons change. Électrons de l'ion monoatomique $= Z -$ charge. »

Ce qu'il faut lire. Les deux disques centraux d'une même ligne sont identiques : c'est le message principal de la figure. Ce qui change d'un côté à l'autre de la flèche, c'est uniquement le nombre de points du nuage. Et le sens de la flèche contredit l'intuition : celle qui retire un électron produit l'ion positif.

La figure en détail : deux schémas superposés. Dans le premier, un atome de sodium à gauche (noyau de 11 protons, 11 électrons, bilan de charge nul) devient, après le départ d'un électron, un ion sodium à droite (noyau de 11 protons inchangé, 10 électrons, bilan plus un). Dans le second, un atome de chlore à gauche (noyau de 17 protons, 17 électrons, bilan nul) devient, après l'arrivée d'un électron, un ion chlorure à droite (noyau de 17 protons inchangé, 18 électrons, bilan moins un). Un encadré final rappelle que le noyau ne change jamais et que le nombre d'électrons d'un ion vaut Z moins sa charge.