Pas de stress ! Même si tu n'as jamais entendu parler des ions, on va te donner l'essentiel pour assurer le contrôle. On commence par rafraîchir les bases de l'atome, puis on découvre comment un atome devient un ion.

Prérequis : l'atome

Un atome est constitué d'un noyau (protons positifs, neutrons neutres) et d'électrons négatifs qui tournent autour. Le numéro atomique $Z$ est le nombre de protons. Dans un atome neutre, le nombre d'électrons est égal à $Z$. Les électrons se répartissent en couches : K (max 2), L (max 8), M (max 8 pour les premiers atomes). La dernière couche occupée est la couche externe. Les atomes cherchent à avoir 8 électrons sur leur couche externe (ou 2 pour la couche K) : c'est la règle de l'octet (ou du duet).

De l'atome à l'ion

Un ion monoatomique est un atome qui a gagné ou perdu des électrons. Il n'est plus neutre : il porte une charge électrique.
- Si l'atome perd des électrons, il devient un cation (charge positive).
- Si l'atome gagne des électrons, il devient un anion (charge négative).
La charge de l'ion se calcule : $\text{charge} = Z - n_e$, où $n_e$ est le nombre d'électrons de l'ion.
Notation : on écrit le symbole de l'élément suivi de la charge en exposant. Exemple : sodium $\text{Na}^+$ (perte d'1 électron), chlorure $\text{Cl}^-$ (gain d'1 électron). On n'écrit jamais le chiffre 1 : $+$ pas $1+$.

À toi de jouer

1. Complète les phrases suivantes avec les mots : protons, électrons, cation, anion, positive, négative, octet.
a) Un atome neutre possède autant de que de .
b) Un atome qui perd des électrons devient un , sa charge est .
c) Un atome qui gagne des électrons devient un , sa charge est .
d) La règle de l' dit qu'un atome cherche à avoir 8 électrons sur sa couche externe.
Corrigé
a) protons, électrons ; b) cation, positive ; c) anion, négative ; d) octet.
2. On considère l'atome de sodium Na ($Z = 11$). Sa structure électronique est $2, 8, 1$. Il perd 1 électron pour former un ion stable.
Complète :
- Nombre de protons :
- Nombre d'électrons de l'ion $n_e = \underline{\hspace{1.1em}}$
- Charge de l'ion : $Z - n_e = \underline{\hspace{1.1em}} - \underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}}$
- Notation de l'ion : $\text{Na}^{\underline{\hspace{1.1em}}}$
- Cet ion est un (cation/anion).
Corrigé
11 ; 10 ; 11 - 10 = +1 ; + ; cation.
3. Même exercice avec l'atome de chlore Cl ($Z = 17$, structure $2, 8, 7$). Il gagne 1 électron.
Complète :
- $n_e = \underline{\hspace{1.1em}}$
- Charge = $17 - \underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}}$
- Notation : $\text{Cl}^{\underline{\hspace{1.1em}}}$
- L'ion chlorure est un .
Corrigé
18 ; 18, -1 ; - ; anion.

Ah, les ions, c'est cette histoire d'électrons gagnés ou perdus ! On va remettre tout ça en ordre avec une méthode béton et des exercices pour que ça devienne clair.

La règle de l'octet (et du duet) en détail

Pour devenir stable, un atome doit avoir sa couche externe pleine : 2 électrons pour la couche K (règle du duet), 8 électrons pour les couches L et M (règle de l'octet). Pour cela, il va soit perdre des électrons (s'il en a peu sur sa couche externe, 1, 2 ou 3), soit en gagner (s'il en a 5, 6 ou 7).

Méthode : écrire la notation d'un ion

  1. Identifier le numéro atomique $Z$ et la structure électronique de l'atome.
  2. Déterminer combien d'électrons il doit gagner ou perdre pour obéir à la règle de l'octet (ou du duet).
  3. Calculer le nombre d'électrons de l'ion : $n_e = Z - (\text{électrons perdus})$ ou $n_e = Z + (\text{électrons gagnés})$.
  4. Calculer la charge : $\text{charge} = Z - n_e$.
  5. Écrire la notation : symbole suivi de la charge en exposant (sans le chiffre 1). Exemples : $\text{Mg}^{2+}$, $\text{O}^{2-}$.

À toi de jouer

1. Applique la méthode pour le magnésium Mg ($Z = 12$, structure $2, 8, 2$).
a) Pour obéir à la règle de l'octet, l'atome de magnésium doit (gagner/perdre) électrons.
b) $n_e = 12 - \underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}}$
c) Charge = $12 - \underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}}$
d) Notation : $\text{Mg}^{\underline{\hspace{1.1em}}}$
e) C'est un .
Corrigé
a) perdre, 2 ; b) 2, 10 ; c) 10, +2 ; d) 2+ ; e) cation.
2. Même chose pour l'oxygène O ($Z = 8$, structure $2, 6$).
a) Il doit (gagner/perdre) électrons.
b) $n_e = 8 + \underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}}$
c) Charge = $8 - \underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}}$
d) Notation : $\text{O}^{\underline{\hspace{1.1em}}}$
e) C'est un .
Corrigé
a) gagner, 2 ; b) 2, 10 ; c) 10, -2 ; d) 2- ; e) anion.
3. Complète le tableau suivant :
AtomeZStructureGagne/Perdn_eChargeNotation
Lithium Li32,1perd 1
Fluor F92,7gagne 1
Aluminium Al132,8,3perd 3
Corrigé
Li : n_e=2, charge=+1, Li+ ; F : n_e=10, charge=-1, F- ; Al : n_e=10, charge=+3, Al3+.

Cinq exercices quasi identiques pour mécaniser le calcul. Tu vas enchaîner, et à la fin, écrire la notation d'un ion n'aura plus de secret pour toi.

À toi de jouer

1. Sodium Na ($Z = 11$, structure $2, 8, 1$) perd 1 électron.
$n_e = \underline{\hspace{1.1em}}$ ; charge = $\underline{\hspace{1.1em}}$ ; notation : $\underline{\hspace{1.1em}}$ ; catégorie : .
Corrigé
10 ; +1 ; Na+ ; cation.
2. Calcium Ca ($Z = 20$, structure $2, 8, 8, 2$) perd 2 électrons.
$n_e = \underline{\hspace{1.1em}}$ ; charge = $\underline{\hspace{1.1em}}$ ; notation : $\underline{\hspace{1.1em}}$ ; catégorie : .
Corrigé
18 ; +2 ; Ca2+ ; cation.
3. Azote N ($Z = 7$, structure $2, 5$) gagne 3 électrons.
$n_e = \underline{\hspace{1.1em}}$ ; charge = $\underline{\hspace{1.1em}}$ ; notation : $\underline{\hspace{1.1em}}$ ; catégorie : .
Corrigé
10 ; -3 ; N3- ; anion.
4. Soufre S ($Z = 16$, structure $2, 8, 6$) gagne 2 électrons.
$n_e = \underline{\hspace{1.1em}}$ ; charge = $\underline{\hspace{1.1em}}$ ; notation : $\underline{\hspace{1.1em}}$ ; catégorie : .
Corrigé
18 ; -2 ; S2- ; anion.
5. Potassium K ($Z = 19$, structure $2, 8, 8, 1$) perd 1 électron.
$n_e = \underline{\hspace{1.1em}}$ ; charge = $\underline{\hspace{1.1em}}$ ; notation : $\underline{\hspace{1.1em}}$ ; catégorie : .
Corrigé
18 ; +1 ; K+ ; cation.

Place aux exercices type contrôle. Tu vas devoir réfléchir un peu plus, mais avec tout ce qu'on a vu, tu vas gérer.

À toi de jouer

1. Pour chacun des ions suivants, indique s'il s'agit d'un cation ou d'un anion, puis calcule son nombre d'électrons.
a) $\text{K}^+$ ($Z = 19$)
b) $\text{S}^{2-}$ ($Z = 16$)
c) $\text{Al}^{3+}$ ($Z = 13$)
d) $\text{F}^-$ ($Z = 9$)
Corrigé
a) cation, $n_e = 19 - 1 = 18$ ; b) anion, $n_e = 16 + 2 = 18$ ; c) cation, $n_e = 13 - 3 = 10$ ; d) anion, $n_e = 9 + 1 = 10$.
2. À partir des informations, détermine la charge et écris la notation de l'ion formé.
a) Béryllium Be ($Z = 4$, structure $2, 2$) perd 2 électrons.
b) Oxygène O ($Z = 8$, structure $2, 6$) gagne 2 électrons.
c) Phosphore P ($Z = 15$, structure $2, 8, 5$) gagne 3 électrons.
d) Gallium Ga ($Z = 31$, structure $2, 8, 18, 3$) perd 3 électrons.
Corrigé
a) $n_e=2$, charge=+2, $\text{Be}^{2+}$ ; b) $n_e=10$, charge=-2, $\text{O}^{2-}$ ; c) $n_e=18$, charge=-3, $\text{P}^{3-}$ ; d) $n_e=28$, charge=+3, $\text{Ga}^{3+}$.
3. En appliquant la règle de l'octet (ou du duet), détermine pour chaque atome le nombre d'électrons gagnés ou perdus, puis écris la notation de l'ion stable obtenu.
a) Lithium Li ($Z = 3$, structure $2, 1$)
b) Azote N ($Z = 7$, structure $2, 5$)
c) Magnésium Mg ($Z = 12$, structure $2, 8, 2$)
d) Chlore Cl ($Z = 17$, structure $2, 8, 7$)
Corrigé
a) perd 1 électron, $\text{Li}^+$ ; b) gagne 3 électrons, $\text{N}^{3-}$ ; c) perd 2 électrons, $\text{Mg}^{2+}$ ; d) gagne 1 électron, $\text{Cl}^-$.
4. Les ions calcium $\text{Ca}^{2+}$ et chlorure $\text{Cl}^-$ sont présents dans l'eau du robinet. Données : $Z(\text{Ca}) = 20$, $Z(\text{Cl}) = 17$.
a) Donne la structure électronique de l'atome de calcium et de l'atome de chlore.
b) En utilisant la règle de l'octet, explique comment chaque atome forme son ion stable.
c) Calcule le nombre d'électrons de $\text{Ca}^{2+}$ et de $\text{Cl}^-$. Que constates-tu ?
Corrigé
a) Ca : 2,8,8,2 ; Cl : 2,8,7. b) Ca perd 2 électrons pour avoir 2,8,8 (octet) → Ca2+ ; Cl gagne 1 électron pour avoir 2,8,8 → Cl-. c) Ca2+ : 18 électrons ; Cl- : 18 électrons. Ils ont le même nombre d'électrons (18), comme l'argon, gaz noble.
5. Un ion inconnu a 10 électrons et porte une charge $+3$. Quel est son numéro atomique $Z$ ? Identifie l'élément. (Aide : $Z = n_e + \text{charge}$)
Corrigé
$Z = 10 + 3 = 13$, c'est l'aluminium Al. L'ion est $\text{Al}^{3+}$.

Tu maîtrises les ions monoatomiques ? Parfait. On va maintenant voir comment prédire la charge d'un ion directement depuis sa place dans le tableau périodique, et comment les ions s'assemblent pour former des composés. Un avant-goût de la 2nde !

À toi de jouer

1. En utilisant la colonne du tableau périodique (numéro de groupe), prédis la charge de l'ion stable formé par les éléments suivants :
a) Sodium Na (colonne 1)
b) Magnésium Mg (colonne 2)
c) Aluminium Al (colonne 13)
d) Oxygène O (colonne 16)
e) Chlore Cl (colonne 17)
Rappel : les éléments des colonnes 1, 2, 13 perdent 1, 2, 3 électrons ; ceux des colonnes 15, 16, 17 gagnent 3, 2, 1 électrons.
Corrigé
a) Na+ ; b) Mg2+ ; c) Al3+ ; d) O2- ; e) Cl-.
2. Les ions s'associent pour former des composés ioniques neutres. Écris la formule du composé formé par les ions suivants (il faut autant de charges + que de charges -) :
a) Sodium $\text{Na}^+$ et chlorure $\text{Cl}^-$
b) Calcium $\text{Ca}^{2+}$ et chlorure $\text{Cl}^-$
c) Aluminium $\text{Al}^{3+}$ et oxyde $\text{O}^{2-}$
Corrigé
a) NaCl ; b) CaCl2 (1 Ca2+ pour 2 Cl-) ; c) Al2O3 (2 Al3+ pour 3 O2-).
3. Un ion $\text{X}^{2-}$ possède la même structure électronique que le néon ($Z=10$).
a) Quel est le nombre d'électrons de cet ion ?
b) Déduis-en $Z$ de l'atome X.
c) Identifie l'élément X.
Corrigé
a) 10 électrons (comme le néon). b) Charge = Z - n_e → -2 = Z - 10 → Z = 8. c) L'élément est l'oxygène O, l'ion est $\text{O}^{2-}$.