Sciences · Chimie
Les ions
Un ion est un atome ou un groupe d’atomes portant une charge électrique, parce qu’il a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Chargé positivement, c’est un cation ; négativement, un anion.
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L’eau minérale contient des ions calcium et magnésium, le sel de cuisine est un assemblage d’ions sodium et chlorure, nos nerfs fonctionnent grâce à des ions potassium et sodium, et l'acidité d’une solution se mesure par sa concentration en ions hydrogène. Les ions sont partout : ce sont des atomes ou des groupes d’atomes électriquement chargés.
Comment se forme un ion ?
Un atome est neutre : il possède autant d’électrons (charge −) que de protons (charge +). Le noyau, lui, ne change pas lors des réactions chimiques ; seuls les électrons périphériques peuvent être cédés ou captés.
- Un atome qui perd des électrons devient un cation : Na → Na⁺ + e⁻.
- Un atome qui gagne des électrons devient un anion : Cl + e⁻ → Cl⁻.
La charge s’écrit en exposant : le chiffre indique le nombre d’électrons perdus ou gagnés, le signe le sens. On écrit Ca²⁺ (deux électrons perdus), O²⁻ (deux électrons gagnés), Na⁺ (« 1 » sous-entendu).
La règle de l’octet
Les atomes tendent à acquérir la structure électronique du gaz noble le plus proche dans le tableau périodique, avec une couche externe complète de huit électrons (deux pour les plus légers). C’est ce qui prédit la charge des ions monoatomiques :
| Colonne du tableau | Électrons externes | Tendance | Ion formé | Exemples |
|---|---|---|---|---|
| 1 (alcalins) | 1 | perdre 1 électron | X⁺ | Li⁺, Na⁺, K⁺ |
| 2 (alcalino-terreux) | 2 | perdre 2 électrons | X²⁺ | Mg²⁺, Ca²⁺ |
| 13 | 3 | perdre 3 électrons | X³⁺ | Al³⁺ |
| 16 | 6 | gagner 2 électrons | X²⁻ | O²⁻, S²⁻ |
| 17 (halogènes) | 7 | gagner 1 électron | X⁻ | F⁻, Cl⁻, Br⁻ |
| 18 (gaz nobles) | 8 (2 pour He) | stables | aucun en général | — |
Les métaux forment des cations, les non-métaux des anions. Les métaux de transition peuvent former plusieurs ions : le fer donne Fe²⁺ (ion fer II) ou Fe³⁺ (ion fer III).
Ions monoatomiques et polyatomiques
Un ion monoatomique provient d’un seul atome (Na⁺, Cl⁻). Un ion polyatomique est un groupe d’atomes liés qui porte globalement une charge.
Les ions à connaître
| Nom | Formule | Où le trouve-t-on ? |
|---|---|---|
| Ion sodium | Na⁺ | sel, eau de mer, sang |
| Ion potassium | K⁺ | bananes, cellules, engrais |
| Ion calcium | Ca²⁺ | eau calcaire, os, lait |
| Ion magnésium | Mg²⁺ | eaux minérales, chlorophylle |
| Ion fer II / fer III | Fe²⁺ / Fe³⁺ | rouille, hémoglobine |
| Ion cuivre II | Cu²⁺ | sulfate de cuivre (bleu) |
| Ion aluminium | Al³⁺ | alun, alumine |
| Ion hydrogène | H⁺ | acides |
| Ion ammonium | NH₄⁺ | engrais |
| Ion chlorure | Cl⁻ | sel, eau de mer, suc gastrique |
| Ion fluorure | F⁻ | dentifrices |
| Ion hydroxyde | HO⁻ (ou OH⁻) | bases, soude |
| Ion nitrate | NO₃⁻ | engrais, eaux souterraines |
| Ion sulfate | SO₄²⁻ | eaux minérales, plâtre |
| Ion carbonate | CO₃²⁻ | calcaire, craie |
| Ion hydrogénocarbonate | HCO₃⁻ | eaux gazeuses, bicarbonate de soude |
| Ion phosphate | PO₄³⁻ | os, engrais, ADN |
Les composés ioniques
Les cations et les anions s’attirent par la force électrique. Ils s’assemblent en cristaux ioniques, empilements réguliers et électriquement neutres. Dans le chlorure de sodium, chaque ion Na⁺ est entouré de six ions Cl⁻ et inversement (voir chlorure de sodium et liaisons chimiques).
La formule d’un composé ionique traduit cette neutralité : il faut autant de charges positives que négatives.
| Ions | Formule du composé | Nom |
|---|---|---|
| Na⁺ et Cl⁻ | NaCl | chlorure de sodium |
| Ca²⁺ et Cl⁻ | CaCl₂ | chlorure de calcium |
| Al³⁺ et O²⁻ | Al₂O₃ | oxyde d’aluminium (alumine) |
| Ca²⁺ et CO₃²⁻ | CaCO₃ | carbonate de calcium (calcaire) |
| Na⁺ et HO⁻ | NaOH | hydroxyde de sodium (soude) |
On nomme d’abord l’anion, puis le cation : « chlorure de sodium ».
Les composés ioniques ont des températures de fusion élevées (801 °C pour le sel). Solides, ils ne conduisent pas l’électricité ; fondus ou dissous dans l’eau, ils la conduisent, car les ions deviennent mobiles. C’est le principe de l'électrolyse.
Les ions en solution
L’eau dissout de nombreux composés ioniques en séparant leurs ions, qui s’entourent de molécules d’eau (ils sont hydratés). Une solution qui contient des ions conduit le courant : c’est un électrolyte. L’eau pure conduit très mal l’électricité ; l’eau du robinet, chargée d’ions, beaucoup mieux.
Identifier un ion : les tests de précipitation
| Ion recherché | Réactif ajouté | Observation |
|---|---|---|
| Chlorure Cl⁻ | nitrate d’argent | précipité blanc qui noircit à la lumière |
| Cuivre II Cu²⁺ | soude (hydroxyde de sodium) | précipité bleu |
| Fer II Fe²⁺ | soude | précipité vert |
| Fer III Fe³⁺ | soude | précipité orange (couleur rouille) |
| Zinc Zn²⁺ | soude | précipité blanc, soluble dans un excès de soude |
| Sulfate SO₄²⁻ | chlorure de baryum | précipité blanc |
| Calcium Ca²⁺ | oxalate d’ammonium | précipité blanc |
Le test de flamme permet aussi de reconnaître certains cations par la couleur qu’ils donnent : jaune-orangé pour le sodium, violet pour le potassium, rouge brique pour le calcium, vert pour le cuivre. C’est le principe des feux d’artifice.
Les ions dans le corps
Dans le corps, on les appelle souvent électrolytes ou sels minéraux. Les ions sodium, potassium, calcium, magnésium, chlorure et hydrogénocarbonate règlent l’hydratation des cellules, la transmission de l’influx nerveux, la contraction musculaire (y compris celle du cœur) et l’équilibre acido-basique du sang. Leurs taux sont mesurés par le ionogramme sanguin. Une transpiration abondante fait perdre de l’eau et des ions, d’où l’intérêt des solutions de réhydratation qui en contiennent.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre un atome et un ion ?
Un atome est électriquement neutre ; un ion porte une charge parce qu’il a perdu ou gagné des électrons. Le noyau, et donc l’élément chimique, ne change pas.
Comment savoir si un ion est un cation ou un anion ?
Par le signe de sa charge : positif pour un cation (Na⁺, Ca²⁺), négatif pour un anion (Cl⁻, SO₄²⁻). Les métaux donnent en général des cations, les non-métaux des anions.
Pourquoi l’eau salée conduit-elle l’électricité ?
Parce que le sel dissous libère des ions sodium et chlorure mobiles, qui transportent les charges électriques dans la solution.
Qu’est-ce qu’un ion polyatomique ?
Un groupe de plusieurs atomes liés entre eux qui porte globalement une charge, comme l’ion sulfate SO₄²⁻ ou l’ion ammonium NH₄⁺.