Atomes, ions, molécules – électroneutralité
Atomes, ions, molécules et électroneutralité
Toute la matière est faite d'atomes ; un atome qui gagne ou perd des électrons devient un ion, des atomes liés forment une molécule, et la matière reste toujours électriquement neutre.
Objectifs
- Décrire la structure d'un atome et utiliser l'écriture \(^{A}_{Z}\mathrm{X}\).
- Expliquer pourquoi un atome est électriquement neutre.
- Expliquer la formation d'un ion et déterminer son nombre d'électrons.
- Lire la formule d'une molécule et compter ses atomes.
- Écrire la formule d'un solide ionique en respectant l'électroneutralité.
1. L'atome : un noyau et des électrons
Un atome est constitué :
- d'un noyau central, très petit, qui contient des protons (charge positive) et des neutrons (charge nulle) ; protons et neutrons sont appelés nucléons ;
- d'électrons (charge négative) qui se déplacent autour du noyau et forment le nuage électronique.
La charge d'un proton vaut \(+e\) et celle d'un électron \(-e\), avec la charge élémentaire \(e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ \mathrm{C}\).
Un atome se note \(^{A}_{Z}\mathrm{X}\) :
- \(\mathrm{X}\) est le symbole de l'élément (\(\mathrm{H}\), \(\mathrm{C}\), \(\mathrm{O}\), \(\mathrm{Na}\)…) ;
- \(Z\) est le numéro atomique : le nombre de protons ;
- \(A\) est le nombre de masse : le nombre de nucléons. Le nombre de neutrons est donc \(N = A - Z\).
Légende l'atome
À gauche, un atome ; à droite, son noyau vu à la loupe. Place chaque nom sur la bonne partie.
L'électroneutralité de l'atome
Un atome contient autant d'électrons que de protons : \(Z\) protons et \(Z\) électrons. Les charges se compensent exactement :
\[ Q_{\text{atome}} = Z \times (+e) + Z \times (-e) = 0 \]Exemple résolu
L'aluminium des marmites est formé d'atomes \(^{27}_{13}\mathrm{Al}\). Donne sa composition et la charge de son noyau.
Combien de neutrons contient l'atome \(^{16}_{8}\mathrm{O}\) ?
2. Les ions : des atomes qui ont gagné ou perdu des électrons
Un ion est un atome (ou un groupe d'atomes) qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Le noyau, lui, ne change pas : le nombre de protons reste \(Z\).
- Un atome qui perd des électrons devient un ion positif : un cation. Exemple : \(\ce{Na+}\), \(\ce{Mg^{2+}}\), \(\ce{Al^{3+}}\).
- Un atome qui gagne des électrons devient un ion négatif : un anion. Exemple : \(\ce{Cl-}\), \(\ce{O^{2-}}\).
Un ion formé d'un seul atome est monoatomique ; un ion formé de plusieurs atomes est polyatomique, comme l'ion sulfate \(\ce{SO4^{2-}}\) ou l'ion ammonium \(\ce{NH4+}\).
La formation de l'ion sodium, étape par étape
L'atome de sodium a 11 protons et 11 électrons : il est neutre.
Il perd un électron ; le noyau, lui, reste le même.
Il reste 11 charges positives et 10 négatives : la charge totale est \(+e\), c'est l'ion \(\ce{Na+}\).
Exemple à chercher
Le chlore a pour numéro atomique \(Z = 17\). L'ion chlorure se note \(\ce{Cl-}\). Combien d'électrons possède-t-il ? A-t-il gagné ou perdu des électrons ?
Voir la solution
L'atome de chlore a 17 protons et 17 électrons. La charge \(-e\) signifie qu'il y a un électron de plus que de protons : \(17 + 1 = 18\) électrons. Il a gagné un électron, c'est un anion.
L'ion magnésium \(\ce{Mg^{2+}}\) provient d'un atome de magnésium (\(Z = 12\)). Combien d'électrons a-t-il ?
3. Les molécules : des atomes liés entre eux
Une molécule est un assemblage d'atomes liés entre eux. Elle est électriquement neutre, car chacun de ses atomes l'est.
Sa formule indique la nature et le nombre de chaque atome ; le chiffre en indice suit le symbole qu'il compte (pas d'indice signifie 1) :
- \(\ce{H2O}\) (eau) : 2 atomes d'hydrogène et 1 atome d'oxygène ;
- \(\ce{CO2}\) (dioxyde de carbone) : 1 atome de carbone et 2 atomes d'oxygène ;
- \(\ce{CH4}\) (méthane, le gaz du biogaz) : 1 atome de carbone et 4 atomes d'hydrogène.
Exemple à chercher
Le glucose a pour formule \(\ce{C6H12O6}\). Combien d'atomes contient une molécule de glucose ?
Voir la solution
6 atomes de carbone, 12 atomes d'hydrogène et 6 atomes d'oxygène :
\[ 6 + 12 + 6 = 24 \text{ atomes} \]Le butane du gaz de cuisine a pour formule \(\ce{C4H10}\). Que signifie cette formule ?
4. L'électroneutralité de la matière : les solides ioniques
Un solide ionique est formé de cations et d'anions. La matière étant toujours neutre, il contient autant de charges positives que de charges négatives : c'est l'électroneutralité. Sa formule indique les proportions des ions, sans écrire les charges.
flowchart LR A[Charge du cation] --> C[Trouver les nombres d ions] B[Charge de l anion] --> C C --> D[Somme des charges égale zéro] D --> E[Écrire la formule]
Exemple résolu : l'alumine
L'alumine, extraite de la bauxite (minerai exploité notamment en Guinée), est formée d'ions \(\ce{Al^{3+}}\) et \(\ce{O^{2-}}\). Trouve sa formule.
Exemple à chercher
Le chlorure de calcium, utilisé pour sécher l'air humide, est formé d'ions \(\ce{Ca^{2+}}\) et \(\ce{Cl-}\). Écris sa formule.
Voir la solution
Un ion \(\ce{Ca^{2+}}\) apporte \(+2\) ; il faut deux ions \(\ce{Cl-}\) pour apporter \(-2\) :
\[ 1 \times (+2) + 2 \times (-1) = 0 \]La formule est \(\ce{CaCl2}\).
Quelle est la formule du chlorure de fer III, formé d'ions \(\ce{Fe^{3+}}\) et \(\ce{Cl-}\) ?
Récapitulatif
- Un atome \(^{A}_{Z}\mathrm{X}\) a \(Z\) protons, \(A - Z\) neutrons et \(Z\) électrons : il est neutre.
- Un cation a perdu des électrons, un anion en a gagné ; le nombre de protons ne change jamais.
- Une molécule est un assemblage neutre d'atomes ; sa formule compte les atomes de chaque élément.
- Un solide ionique est neutre : la somme des charges de ses ions est nulle, ce qui donne sa formule.
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