Ions monoatomiques

D'abord, les prérequis (tu les as déjà)

Un atome est fait d'un noyau (contenant des protons, de charge $+$) autour duquel tournent des électrons (de charge $-$).

Dans un atome, il y a toujours autant de protons que d'électrons : les charges $+$ et $-$ se compensent exactement, donc l'atome est neutre (charge totale nulle).

Le nombre de protons porte un nom : c'est le numéro atomique $Z$. Par exemple, le sodium a $Z = 11$ : il possède 11 protons, et donc 11 électrons lorsqu'il est neutre.

Les électrons sont rangés sur des couches autour du noyau. On décrit cette structure électronique avec des nombres séparés par des virgules, de la couche interne vers la couche externe. Exemple pour le sodium : $2{,}8{,}1$ (2 électrons sur la première couche, puis 8, puis 1 sur la couche externe).

L'essentiel : cation ou anion

Un ion monoatomique, c'est un seul atome qui a gagné ou perdu des électrons. Il n'est alors plus neutre : il porte une charge.

Deux cas, et deux seulement :

• L'atome perd des électrons : il reste plus de protons ($+$) que d'électrons ($-$), donc l'ion est positif. C'est un cation.
• L'atome gagne des électrons : il y a plus d'électrons ($-$) que de protons ($+$), donc l'ion est négatif. C'est un anion.

Pourquoi un atome ferait-il ça ? Pour devenir stable. Il cherche à avoir $8$ électrons sur sa couche externe (c'est la règle de l'octet), ou $2$ électrons quand seule la première couche compte (la règle du duet). C'est la configuration des gaz nobles, très stables.

La formule + un exemple fait en entier

La seule formule à retenir : la charge d'un ion se calcule en comparant ses protons et ses électrons.

$\text{charge} = Z - n_e$, où $Z$ est le nombre de protons et $n_e$ le nombre d'électrons de l'ion.

Exemple traité : l'ion sodium.

1. Le sodium a $Z = 11$ et la structure $2{,}8{,}1$.

2. Sa couche externe n'a qu'$1$ électron : le plus simple pour lui est d'en perdre 1, ce qui laisse la structure stable $2{,}8$.

3. Nombre d'électrons de l'ion : $n_e = 11 - 1 = 10$.

4. Charge : $\text{charge} = Z - n_e = 11 - 10 = +1$.

5. On écrit donc l'ion sodium $\text{Na}^+$ (comme la charge vaut $+1$, on n'écrit pas le chiffre 1).

Les définitions à connaître

Atome. Particule électriquement neutre : autant de protons ($+$) que d'électrons ($-$). Son numéro atomique $Z$ donne son nombre de protons.

Ion monoatomique. Un unique atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons, et qui porte donc une charge électrique. Le préfixe mono signifie un seul : l'ion n'est formé que d'un atome.

Cation. Ion de charge positive, obtenu quand l'atome perd des électrons (il en reste moins que de protons).

Anion. Ion de charge négative, obtenu quand l'atome gagne des électrons (il en a plus que de protons).

Règle de l'octet (et du duet). Un atome gagne ou perd des électrons pour obtenir $8$ électrons sur sa couche externe (octet), ou $2$ électrons lorsque seule la première couche est concernée (duet). Il rejoint ainsi la structure très stable des gaz nobles.

Notation et calcul de la charge

Un atome ne change jamais de nombre de protons : quand il devient un ion, seuls les électrons bougent. Le numéro atomique $Z$ reste le même, et l'élément aussi.

La charge se calcule toujours de la même façon :

$\text{charge} = Z - n_e$ (protons moins électrons).

Selon le résultat, on distingue deux écritures :

• Cation : $\text{X}^{n+}$, avec $Z \gt n_e$ (plus de protons que d'électrons).
• Anion : $\text{X}^{n-}$, avec $Z \lt n_e$ (plus d'électrons que de protons).

Comment écrire l'exposant. On met d'abord le nombre, puis le signe : on écrit $2+$, pas $+2$. Et quand la charge vaut $\pm 1$, on n'écrit pas le chiffre : c'est $\text{Na}^+$ et $\text{Cl}^-$, jamais $\text{Na}^{1+}$.

La méthode pas à pas (avec trois exemples)

Voici la marche à suivre, toujours identique :

1. Repérer $Z$ (le nombre de protons) et la structure électronique de l'atome.
2. Appliquer la règle de l'octet (ou du duet) : compter combien d'électrons il faut gagner ou perdre pour compléter la couche externe.
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 de l'élément, puis la charge en exposant (nombre puis signe).

Exemple 1 : l'ion sodium $\text{Na}^+$.

$Z = 11$, structure $2{,}8{,}1$. Il perd $1$ électron pour atteindre la structure stable $2{,}8$.

$n_e = 11 - 1 = 10$, donc $\text{charge} = 11 - 10 = +1$, d'où $\text{Na}^+$.

Exemple 2 : l'ion chlorure $\text{Cl}^-$.

$Z = 17$, structure $2{,}8{,}7$. Il gagne $1$ électron pour atteindre la structure stable $2{,}8{,}8$.

$n_e = 17 + 1 = 18$, donc $\text{charge} = 17 - 18 = -1$, d'où $\text{Cl}^-$.

Exemple 3 : l'ion calcium $\text{Ca}^{2+}$.

$Z = 20$, structure $2{,}8{,}8{,}2$. Il perd $2$ électrons pour atteindre la structure stable $2{,}8{,}8$.

$n_e = 20 - 2 = 18$, donc $\text{charge} = 20 - 18 = +2$, d'où $\text{Ca}^{2+}$.

On le fait ensemble : l'ion chlorure

On cherche l'ion que forme l'atome de chlore. On déroule la méthode, étape par étape.

Étape 1 : les données. Le chlore a $Z = 17$. Sa structure électronique est $2{,}8{,}7$ : 2 électrons sur la première couche, 8 sur la deuxième, 7 sur la couche externe.

Étape 2 : la règle de l'octet. La couche externe a $7$ électrons. Le plus rapide pour arriver à $8$ n'est pas d'en perdre 7, mais d'en gagner un seul. Le chlore gagne donc $1$ électron et atteint $2{,}8{,}8$ : octet complet, structure stable.

Étape 3 : le nombre d'électrons. Il en avait 17, il en gagne 1 : $n_e = 17 + 1 = 18$.

Étape 4 : la charge. $\text{charge} = Z - n_e = 17 - 18 = -1$. Résultat négatif : gagner des électrons rend l'ion négatif, c'est bien un anion.

Étape 5 : la notation. Charge $-1$ : on n'écrit pas le 1, donc l'ion chlorure s'écrit $\text{Cl}^-$.

On le fait ensemble : l'ion calcium

Même méthode, mais cette fois l'atome va perdre des électrons. Reste vigilant sur le signe.

Étape 1 : les données. Le calcium a $Z = 20$ et la structure $2{,}8{,}8{,}2$.

Étape 2 : la règle de l'octet. La couche externe n'a que $2$ électrons. Il est bien plus simple de les perdre tous les deux que d'en gagner 6 : en les perdant, la couche externe redevient celle qui compte $8$ électrons, structure $2{,}8{,}8$, stable.

Étape 3 : le nombre d'électrons. $n_e = 20 - 2 = 18$.

Étape 4 : la charge. $\text{charge} = 20 - 18 = +2$. Positif : perdre des électrons donne un cation.

Étape 5 : la notation. Charge $+2$ : le nombre d'abord, le signe ensuite, donc $\text{Ca}^{2+}$ (et surtout pas $\text{Ca}^{+2}$).

On le fait ensemble : l'ion aluminium

Un dernier pour la route, avec une charge de $3$ cette fois.

Étape 1 : les données. L'aluminium a $Z = 13$ et la structure $2{,}8{,}3$.

Étape 2 : la règle de l'octet. La couche externe a $3$ électrons ; il les perd tous les trois pour retrouver la structure stable $2{,}8$ (octet sur la couche du dessous).

Étape 3 : le nombre d'électrons. $n_e = 13 - 3 = 10$.

Étape 4 : la charge. $\text{charge} = 13 - 10 = +3$.

Étape 5 : la notation. $\text{Al}^{3+}$.

Remarque au passage : $\text{Na}^+$ et $\text{Al}^{3+}$ finissent tous deux à $10$ électrons, la structure $2{,}8$ du néon ; $\text{Ca}^{2+}$, lui, atteint la structure $2{,}8{,}8$ de l'argon. Dans chaque cas, l'atome perd (ou gagne) juste ce qu'il faut pour rejoindre le gaz noble le plus proche : c'est toute l'idée.

Ce que le correcteur attend, et les pièges classiques

Le calcul est simple ; les points se perdent sur la rigueur. Voici ce qui est attendu, et ce qui coûte cher.

• Notation de l'exposant : le nombre puis le signe. On écrit $2+$, jamais $+2$. Donc $\text{Ca}^{2+}$ et non $\text{Ca}^{+2}$.
• La charge $\pm 1$ n'affiche pas le 1. C'est $\text{Na}^+$ et $\text{Cl}^-$, jamais $\text{Na}^{1+}$ ni $\text{Cl}^{1-}$.
• Le sens du transfert. Perdre des électrons donne un cation (charge $+$) ; gagner des électrons donne un anion (charge $-$). Une inversion, et tout le raisonnement tombe.
• $Z$ ne change jamais. Former un ion ne touche qu'aux électrons ; le nombre de protons (donc $Z$, donc l'élément) reste le même. Un ion sodium reste du sodium.
• Justifier avec la règle de l'octet. Ne te contente pas d'annoncer que l'atome perd 1 électron : dis pourquoi (pour compléter sa couche externe à 8, ou à 2). C'est souvent un point à part entière.

Problème type résolu : de l'atome à l'ion oxygène

Énoncé. L'atome d'oxygène a pour numéro atomique $Z = 8$ et pour structure électronique $2{,}6$. Déterminer l'ion qu'il forme, et justifier.

Étape 1. La couche externe porte $6$ électrons. Pour atteindre l'octet ($8$), il est plus économique d'en gagner 2 que d'en perdre 6.

Étape 2. Après ce gain, la structure devient $2{,}8$ : octet complet, structure stable (celle du néon).

Étape 3. Nombre d'électrons de l'ion : $n_e = 8 + 2 = 10$.

Étape 4. Charge : $\text{charge} = Z - n_e = 8 - 10 = -2$.

Étape 5. L'ion est négatif (un anion) : on écrit $\text{O}^{2-}$. On l'appelle l'ion oxygène (ou ion oxyde).

Ce que veut le correcteur : le gain de 2 électrons justifié par l'octet, le calcul $n_e = 10$, la charge $-2$, et la notation $\text{O}^{2-}$ écrite proprement (le nombre puis le signe).

Problème type résolu : retrouver l'ion à partir de sa composition

Le correcteur adore le sens inverse : on te donne les particules, tu retrouves l'ion. La même formule fonctionne à l'envers.

Énoncé. Une particule contient $13$ protons et $10$ électrons. De quel ion s'agit-il ?

Étape 1. Le nombre de protons donne $Z = 13$ : c'est l'élément aluminium (le nombre de protons identifie l'élément).

Étape 2. Ici $n_e = 10$ avec $Z = 13$. Comme $Z \gt n_e$ (13 protons pour 10 électrons), il y a un excès de charges $+$ : c'est un cation.

Étape 3. Charge : $\text{charge} = Z - n_e = 13 - 10 = +3$.

Étape 4. Conclusion : la particule est l'ion aluminium $\text{Al}^{3+}$.

Le piège. Ne confonds pas les 3 électrons perdus (et la charge $+3$) avec un changement d'élément : ça reste de l'aluminium ($Z = 13$), seul le nombre d'électrons a changé.

Pourquoi les ions s'assemblent : les composés ioniques

Un cation ($+$) et un anion ($-$), ce sont deux charges opposées : elles s'attirent. C'est ce qui permet aux ions de s'assembler en composés ioniques.

Le plus célèbre : le sel de table. L'ion sodium $\text{Na}^+$ et l'ion chlorure $\text{Cl}^-$ s'attirent et forment le chlorure de sodium $\text{NaCl}$. Une charge $+1$ et une charge $-1$ se compensent : le composé est globalement neutre.

Et quand les charges ne sont pas égales ? Il en faut plusieurs pour équilibrer. Avec le calcium $\text{Ca}^{2+}$ (charge $+2$) et le chlorure $\text{Cl}^-$ (charge $-1$), il faut deux ions chlorure pour un ion calcium : on obtient $\text{CaCl}_2$, à nouveau neutre. C'est le principe d'électroneutralité, que tu approfondiras plus tard.

Des ions partout : solutions, tests, courant électrique

Les ions ne restent pas sagement en poudre. Dans l'eau, un composé ionique se dissout en libérant ses ions, qui se mettent à circuler : c'est pour cela qu'une eau salée conduit le courant électrique, alors que l'eau très pure le conduit très mal.

On sait aussi reconnaître certains ions en solution. En versant quelques gouttes de soude, l'ion cuivre donne un précipité bleu, l'ion fer un précipité verdâtre ou rouille : ce sont les tests d'identification des ions, une autre partie du programme de 3e qui repose entièrement sur ce que tu viens d'apprendre.

L'idée de fond, et un aperçu du lycée

La justification profonde. Pourquoi 8 électrons ? Parce que les gaz nobles (hélium, néon, argon...) ont justement des couches externes pleines, et qu'ils sont d'une stabilité remarquable : ils ne réagissent presque jamais. Tous les autres atomes imitent ce modèle en gagnant ou en perdant des électrons ; c'est la vraie raison de la règle de l'octet.

Ce qui t'attend. Au lycée, les couches se découpent plus finement (on parlera de sous-couches et de configuration électronique), le tableau périodique se lit comme une carte qui prédit quels ions chaque élément va former, et tu rencontreras des ions polyatomiques (formés de plusieurs atomes, comme l'ion sulfate ou l'ion hydroxyde), cousins plus élaborés des ions monoatomiques d'aujourd'hui.

Retiens la trame : atome neutre, puis il gagne ou perd des électrons pour ressembler à un gaz noble, puis il devient un ion chargé dont la charge vaut simplement $Z - n_e$. Tout le reste s'accroche à ça.