Ions, molécules et solides ioniques
Ions, molécules et solides ioniques
Pour devenir stables, les atomes gagnent ou perdent des électrons (ce sont alors des ions) ou bien en mettent en commun (ils forment des molécules) ; des ions de charges opposées s'empilent pour former des solides ioniques comme le sel de cuisine.
Objectifs
- Énoncer les règles du duet et de l'octet.
- Prévoir la charge d'un ion monoatomique à partir de la structure électronique de l'atome.
- Connaître quelques ions polyatomiques courants.
- Expliquer la liaison covalente et prévoir le nombre de liaisons d'un atome dans une molécule.
- Écrire la formule d'un solide ionique en respectant la neutralité électrique.
1. Pourquoi les atomes changent-ils ? Les règles du duet et de l'octet
Les gaz nobles sont très stables. Leur couche électronique externe est saturée :
- l'hélium \(\ce{He}\) a 2 électrons sur sa couche externe (couche K) ;
- le néon \(\ce{Ne}\) et l'argon \(\ce{Ar}\) ont 8 électrons sur leur couche externe.
Pour y arriver, un atome a deux possibilités : échanger des électrons (il devient un ion) ou partager des électrons avec d'autres atomes (il forme une molécule).
flowchart TD A[Atome instable] --> B[Il perd ou gagne des electrons] A --> C[Il partage des electrons] B --> D[Ion] C --> E[Molecule] D --> F[Solide ionique]
Le néon a pour structure électronique \((K)^2(L)^8\). Pourquoi est-il très stable ?
2. Les ions
2.1 Ions monoatomiques
Un ion monoatomique est un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Le noyau ne change pas : seul le nombre d'électrons change.
- Un atome qui perd des électrons devient un cation (charge positive), par exemple \(\ce{Na+}\).
- Un atome qui gagne des électrons devient un anion (charge négative), par exemple \(\ce{Cl-}\).
Regarde comment l'atome de sodium devient l'ion sodium :
Le noyau du sodium contient 11 protons. La couche K reçoit 2 électrons.
La couche L se remplit avec 8 électrons : elle est complète.
Il reste un seul électron, isolé sur la couche M : c'est l'électron externe.
Le sodium perd cet électron : il garde 10 électrons et 11 protons, il devient l'ion Na+ avec un octet sur la couche L.
Méthode générale : on écrit la structure électronique de l'atome, puis on regarde ce qui est le plus « économique » pour atteindre le duet ou l'octet.
| Atome | \(Z\) | Structure | Électrons externes | Il… | Ion formé |
|---|---|---|---|---|---|
| Lithium | 3 | \((K)^2(L)^1\) | 1 | perd 1 électron | \(\ce{Li+}\) |
| Sodium | 11 | \((K)^2(L)^8(M)^1\) | 1 | perd 1 électron | \(\ce{Na+}\) |
| Magnésium | 12 | \((K)^2(L)^8(M)^2\) | 2 | perd 2 électrons | \(\ce{Mg^2+}\) |
| Aluminium | 13 | \((K)^2(L)^8(M)^3\) | 3 | perd 3 électrons | \(\ce{Al^3+}\) |
| Oxygène | 8 | \((K)^2(L)^6\) | 6 | gagne 2 électrons | \(\ce{O^2-}\) |
| Soufre | 16 | \((K)^2(L)^8(M)^6\) | 6 | gagne 2 électrons | \(\ce{S^2-}\) |
| Fluor | 9 | \((K)^2(L)^7\) | 7 | gagne 1 électron | \(\ce{F-}\) |
| Chlore | 17 | \((K)^2(L)^8(M)^7\) | 7 | gagne 1 électron | \(\ce{Cl-}\) |
Exemple résolu 1 : l'ion chlorure
L'atome de chlore a pour numéro atomique \(Z = 17\). Quel ion forme-t-il ? Combien d'électrons possède cet ion ?
Exemple résolu 2 : l'ion magnésium
L'atome de magnésium a pour numéro atomique \(Z = 12\). Cherche d'abord l'ion formé et son nombre d'électrons.
Voir la solution
Structure : \((K)^2(L)^8(M)^2\), soit 2 électrons externes. Le plus simple est de perdre ces 2 électrons : on obtient l'ion \(\ce{Mg^2+}\), de structure \((K)^2(L)^8\) (un octet). Nombre d'électrons :
\[12 - 2 = 10 \text{ électrons, pour } 12 \text{ protons.}\]2.2 Ions polyatomiques
Un ion polyatomique est un groupe de plusieurs atomes liés qui porte, dans son ensemble, une charge électrique. À connaître :
| Nom | Formule | Nom | Formule |
|---|---|---|---|
| Hydroxyde | \(\ce{OH-}\) | Ammonium | \(\ce{NH4+}\) |
| Nitrate | \(\ce{NO3-}\) | Oxonium | \(\ce{H3O+}\) |
| Sulfate | \(\ce{SO4^2-}\) | Carbonate | \(\ce{CO3^2-}\) |
| Phosphate | \(\ce{PO4^3-}\) | Hydrogénocarbonate | \(\ce{HCO3-}\) |
L'atome d'aluminium (\(Z = 13\)) forme un ion. Lequel ?
Combien d'électrons possède l'ion oxyde \(\ce{O^2-}\) (l'oxygène a \(Z = 8\)) ?
3. Les molécules et la liaison covalente
Une molécule est un assemblage électriquement neutre d'atomes liés entre eux. Une liaison covalente est la mise en commun de deux électrons (un doublet liant), chaque atome apportant en général un électron.
Le nombre de liaisons qu'un atome forme est le nombre d'électrons qui lui manquent pour satisfaire le duet ou l'octet :
| Atome | Structure | Électrons manquants | Nombre de liaisons |
|---|---|---|---|
| \(\ce{H}\) (\(Z=1\)) | \((K)^1\) | 1 (duet) | 1 |
| \(\ce{O}\) (\(Z=8\)) | \((K)^2(L)^6\) | 2 | 2 |
| \(\ce{N}\) (\(Z=7\)) | \((K)^2(L)^5\) | 3 | 3 |
| \(\ce{C}\) (\(Z=6\)) | \((K)^2(L)^4\) | 4 | 4 |
| \(\ce{Cl}\) (\(Z=17\)) | \((K)^2(L)^8(M)^7\) | 1 | 1 |
On représente les molécules par une formule brute (\(\ce{H2O}\)) ou une formule développée, où chaque liaison est un trait : par exemple \(\ce{H-O-H}\) pour l'eau, \(\ce{O=C=O}\) pour le dioxyde de carbone (liaisons doubles).
Voici la molécule d'eau. À toi de placer les noms :
Exemple résolu 3 : la formule de l'ammoniac
Une molécule est formée d'un atome d'azote et d'atomes d'hydrogène seulement. Cherche sa formule brute et sa formule développée.
Exemple résolu 4 : le méthane du biogaz
Le biogaz produit à partir de bouses de vache dans certains villages contient surtout du méthane, formé de carbone et d'hydrogène. Prévois sa formule.
Voir la solution
Le carbone (\(Z = 6\)) a 4 électrons externes : il en manque 4, donc il forme 4 liaisons. Il faut 4 atomes d'hydrogène : formule brute \(\ce{CH4}\). Chaque hydrogène a son duet, le carbone a son octet (4 liaisons, soit 8 électrons partagés).
Combien de liaisons covalentes l'atome d'oxygène forme-t-il en général ?
4. Les solides ioniques
Un solide ionique (ou cristal ionique) est un empilement régulier de cations et d'anions. Les ions de charges opposées s'attirent : c'est ce qui assure la cohésion du solide.
Le nom d'un solide ionique donne l'anion puis le cation : « chlorure de sodium », « oxyde d'aluminium ».
Exemple résolu 5 : le chlorure de calcium
Le chlorure de calcium est formé d'ions calcium \(\ce{Ca^2+}\) et chlorure \(\ce{Cl-}\). Trouve sa formule.
Exemple résolu 6 : l'oxyde d'aluminium
L'alumine, tirée de la bauxite (on en extrait notamment en Guinée), est l'oxyde d'aluminium, formé d'ions \(\ce{Al^3+}\) et \(\ce{O^2-}\). Cherche sa formule avant d'ouvrir.
Voir la solution
Il faut autant de charges positives que de négatives. Le plus petit multiple commun de 3 et 2 est 6 : 2 ions \(\ce{Al^3+}\) (\(+6e\)) et 3 ions \(\ce{O^2-}\) (\(-6e\)).
\[2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 6 - 6 = 0\]Formule : \(\ce{Al2O3}\).
Quelle est la formule du sulfate de sodium, formé d'ions \(\ce{Na+}\) et \(\ce{SO4^2-}\) ?
Le chlorure de magnésium contient des ions \(\ce{Mg^2+}\) et \(\ce{Cl-}\). Sa formule est :
Erreurs fréquentes
- Croire qu'un ion change de noyau : seul le nombre d'électrons change, le nombre de protons reste le même.
- Confondre cation (positif, a perdu des électrons) et anion (négatif, a gagné des électrons).
- Oublier que l'hydrogène respecte la règle du duet et ne forme qu'une seule liaison.
- Écrire les charges dans la formule d'un solide ionique.
Récapitulatif
- Les atomes cherchent la stabilité des gaz nobles : 2 électrons externes (duet) ou 8 (octet).
- En perdant des électrons, un atome devient un cation ; en en gagnant, un anion.
- Dans une molécule, les atomes partagent des doublets d'électrons : ce sont les liaisons covalentes (\(\ce{H}\) : 1, \(\ce{O}\) : 2, \(\ce{N}\) : 3, \(\ce{C}\) : 4).
- Un solide ionique est un empilement régulier de cations et d'anions, électriquement neutre : \(\ce{NaCl}\), \(\ce{CaCl2}\), \(\ce{Al2O3}\).
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