Pas de panique ! On part de zéro, mais on va vite comprendre de quoi parle ce chapitre. Tu te souviens de la 5eme, quand on distinguait un corps pur d'un mélange ? C'est notre point de départ. Aujourd'hui, on plonge à l'intérieur de la matière pour voir de quoi elle est vraiment faite : des atomes, des molécules et des ions. Accroche-toi, on va tout décortiquer ensemble.
Prérequis : corps purs et mélanges (rappel de 5eme)
En 5eme, tu as appris que toute la matière qui nous entoure est soit un corps pur, soit un mélange.
- Corps pur : une seule espèce chimique. Exemple : l'eau pure, le sel pur, le dioxygène pur.
- Mélange : plusieurs espèces chimiques mélangées. Exemple : l'eau salée (eau + sel), l'air (dioxygène + diazote + autres gaz).
Ce chapitre va plus loin : il explique que chaque espèce chimique est elle-même construite à partir de minuscules briques appelées atomes. Ces atomes peuvent s'assembler pour former des molécules, ou se transformer en ions en gagnant ou perdant des électrons.
L'essentiel de la notion en mots simples
Imagine trois briques de Lego pour construire toute la matière :
- L'atome : la brique de base, neutre électriquement. Il a un noyau (avec des protons + et des neutrons 0) et des électrons (-) qui tournent autour. Le nombre de protons est TOUJOURS égal au nombre d'électrons dans un atome.
- La molécule : un assemblage d'au moins deux atomes collés ensemble. Sa formule chimique te dit quels atomes et combien. Exemple : H₂O, c'est 2 atomes d'hydrogène (H) et 1 atome d'oxygène (O).
- L'ion : un atome (ou un groupe d'atomes) qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Du coup, il n'est plus neutre : il est chargé. S'il perd des électrons, il devient positif (cation). S'il en gagne, il devient négatif (anion).
La clé : protons = électrons → atome neutre. Protons ≠ électrons → ion chargé.
À toi de jouer
1. Exercice 1 — Atome ou ion ? Complète les phrases avec les mots : neutre, positif, négatif, protons, électrons.
a) Dans un atome, le nombre de est toujours égal au nombre d'. L'atome est donc électriquement .
b) Un ion qui a perdu des électrons a plus de charges positives que négatives : il est . On l'appelle un cation.
c) Un ion qui a gagné des électrons a plus de charges négatives que positives : il est . On l'appelle un anion.
Corrigé
a) Dans un atome, le nombre de protons est toujours égal au nombre d'électrons. L'atome est donc électriquement neutre.
b) Un ion qui a perdu des électrons a plus de charges positives que négatives : il est positif. On l'appelle un cation.
c) Un ion qui a gagné des électrons a plus de charges négatives que positives : il est négatif. On l'appelle un anion.
2. Exercice 2 — Lire une formule chimique simple. On le fait ensemble.
La molécule d'eau a pour formule H₂O. Le '2' en bas à droite du H indique le nombre d'atomes d'hydrogène. Pas d'indice sous le O signifie 1 atome d'oxygène.
Complète :
Dans H₂O, il y a atome(s) d'hydrogène (H) et atome(s) d'oxygène (O).
Nombre total d'atomes dans la molécule : + = atomes.
Corrigé
Dans H₂O, il y a 2 atome(s) d'hydrogène (H) et 1 atome(s) d'oxygène (O).
Nombre total d'atomes dans la molécule : 2 + 1 = 3 atomes.
3. Exercice 3 — Reconnaître un cation ou un anion. Complète avec cation ou anion.
a) Na⁺ : sa charge est +1, donc positive. C'est un .
b) Cl⁻ : sa charge est -1, donc négative. C'est un .
c) Ca²⁺ : charge +2 → .
d) O²⁻ : charge -2 → .
Corrigé
a) Na⁺ : sa charge est +1, donc positive. C'est un cation.
b) Cl⁻ : sa charge est -1, donc négative. C'est un anion.
c) Ca²⁺ : charge +2 → cation.
d) O²⁻ : charge -2 → anion.
Ah oui, c'est ça ! Les atomes neutres avec autant de protons que d'électrons, les molécules qui sont des assemblages d'atomes, et les ions qui ont une charge parce qu'ils ont perdu ou gagné des électrons. On va remettre tout ça en ordre avec une méthode pas-à-pas pour lire les formules chimiques et pour calculer la charge d'un ion. Prêt ?
Rappel structuré : atomes, molécules, ions
Atome : noyau (protons +, neutrons 0) + électrons (-). Toujours neutre : nb protons = nb électrons.
Molécule : assemblage d'atomes liés. Sa formule indique le type et le nombre de chaque atome. L'indice en bas à droite donne le nombre d'atomes de l'élément juste à gauche. Pas d'indice = 1 atome.
Ion : atome ou groupe d'atomes ayant perdu ou gagné des électrons. Charge = nb protons - nb électrons. Charge > 0 → cation (ion positif). Charge < 0 → anion (ion négatif).
Méthode pas-à-pas : lire une formule chimique
- Repère chaque symbole d'élément (une majuscule, parfois suivie d'une minuscule : H, O, C, Na, Cl...).
- Lis l'indice en bas à droite de chaque symbole. C'est le nombre d'atomes de CET élément.
- Pas d'indice = 1 atome de cet élément.
- Additionne tous les indices pour obtenir le nombre total d'atomes dans la molécule.
Méthode pas-à-pas : calculer la charge d'un ion
- Pars de l'atome neutre : nb protons = nb électrons (donné ou à trouver dans une classification).
- L'énoncé te dit combien d'électrons l'atome a perdu ou gagné.
- Calcule le nouveau nombre d'électrons.
- Applique la formule : charge = nb protons - nb électrons.
- Écris le symbole de l'ion avec la charge en exposant à droite.
À toi de jouer
1. Exercice 1 — Structure de l'atome (à trous).
L'atome de phosphore possède 15 protons et 16 neutrons.
a) Nombre d'électrons : comme l'atome est neutre, nb électrons = nb protons = .
b) L'atome est-il neutre ? Oui, car protons = électrons.
c) Nombre total de particules dans le noyau : protons + neutrons = particules.
Corrigé
a) Nombre d'électrons : comme l'atome est neutre, nb électrons = nb protons = 15.
b) L'atome est-il neutre ? Oui, car 15 protons = 15 électrons.
c) Nombre total de particules dans le noyau : 15 protons + 16 neutrons = 31 particules.
2. Exercice 2 — Lire une formule chimique (à trous).
Voici la molécule de dioxyde de carbone : CO₂.
Complète :
Dans CO₂, il y a atome de carbone (C) et atomes d'oxygène (O).
Nombre total d'atomes : + = atomes.
Corrigé
Dans CO₂, il y a 1 atome de carbone (C) et 2 atomes d'oxygène (O).
Nombre total d'atomes : 1 + 2 = 3 atomes.
3. Exercice 3 — Formation d'un ion (à trous).
Un atome de magnésium possède 12 protons et 12 électrons. Il perd 2 électrons pour former un ion.
a) Nouveau nombre d'électrons : 12 - 2 = .
b) L'ion possède donc protons et électrons.
c) Charge de l'ion : nb protons - nb électrons = 12 - = .
d) Symbole de l'ion : Mg.
Corrigé
a) Nouveau nombre d'électrons : 12 - 2 = 10.
b) L'ion possède donc 12 protons et 10 électrons.
c) Charge de l'ion : nb protons - nb électrons = 12 - 10 = +2.
d) Symbole de l'ion : Mg²⁺.
Cinq exercices quasi identiques pour que ça devienne un automatisme. Tu vas répéter la même mécanique : lire une formule, compter les atomes, calculer une charge. Simple, efficace, zéro stress.
À toi de jouer
1. Exercice 1 — Donne le nombre d'atomes de chaque élément et le nombre total d'atomes dans la molécule NH₃ (ammoniac).
Corrigé
Dans NH₃ : 1 atome d'azote (N) et 3 atomes d'hydrogène (H). Nombre total d'atomes : 1 + 3 = 4 atomes.
2. Exercice 2 — Donne le nombre d'atomes de chaque élément et le nombre total d'atomes dans la molécule CH₄ (méthane).
Corrigé
Dans CH₄ : 1 atome de carbone (C) et 4 atomes d'hydrogène (H). Nombre total d'atomes : 1 + 4 = 5 atomes.
3. Exercice 3 — Donne le nombre d'atomes de chaque élément et le nombre total d'atomes dans la molécule SO₂ (dioxyde de soufre).
Corrigé
Dans SO₂ : 1 atome de soufre (S) et 2 atomes d'oxygène (O). Nombre total d'atomes : 1 + 2 = 3 atomes.
4. Exercice 4 — Un atome de fluor possède 9 protons et 9 électrons. Il gagne 1 électron. Calcule sa nouvelle charge et écris son symbole.
Corrigé
Nouveau nombre d'électrons : 9 + 1 = 10. Charge = 9 - 10 = -1. Symbole : F⁻.
5. Exercice 5 — Un atome d'aluminium possède 13 protons et 13 électrons. Il perd 3 électrons. Calcule sa nouvelle charge et écris son symbole.
Corrigé
Nouveau nombre d'électrons : 13 - 3 = 10. Charge = 13 - 10 = +3. Symbole : Al³⁺.
Maintenant, on passe au niveau contrôle. Tu vas devoir manipuler les trois notions (atomes, molécules, ions) dans des exercices variés, avec des formules plus complexes, des justifications et un peu de réflexion sur la neutralité électrique. Tu es prêt, c'est parti.
À toi de jouer
1. Exercice 1 — Structure de l'atome.
L'atome de fer possède 26 protons et 30 neutrons.
a) Quel est le nombre d'électrons de l'atome de fer ? Justifie.
b) L'atome de fer est-il électriquement neutre ? Explique.
c) Combien y a-t-il de particules au total dans le noyau du fer ?
Corrigé
a) Atome neutre : nb électrons = nb protons = 26. Donc 26 électrons.
b) Oui, car il a autant de protons (26 charges +) que d'électrons (26 charges -), les charges s'annulent exactement.
c) Noyau : protons + neutrons = 26 + 30 = 56 particules.
2. Exercice 2 — Lire une formule chimique.
Pour chaque formule, indique le nombre d'atomes de chaque élément et le nombre total d'atomes.
a) H₂O (eau)
b) CO₂ (dioxyde de carbone)
c) C₆H₁₂O₆ (glucose)
Corrigé
a) H₂O : 2 atomes H + 1 atome O = 3 atomes au total.
b) CO₂ : 1 atome C + 2 atomes O = 3 atomes au total.
c) C₆H₁₂O₆ : 6 atomes C + 12 atomes H + 6 atomes O = 24 atomes au total.
3. Exercice 3 — Identifier les ions.
Pour chaque ion, précise s'il s'agit d'un cation ou d'un anion, et indique sa charge.
a) Na⁺
b) Cl⁻
c) Ca²⁺
d) O²⁻
e) Fe³⁺
Corrigé
a) Na⁺ : charge +1 > 0 → cation, charge = +1.
b) Cl⁻ : charge -1 < 0 → anion, charge = -1.
c) Ca²⁺ : charge +2 > 0 → cation, charge = +2.
d) O²⁻ : charge -2 < 0 → anion, charge = -2.
e) Fe³⁺ : charge +3 > 0 → cation, charge = +3.
4. Exercice 4 — Formation d'un ion.
Un atome de sodium possède 11 protons et 11 électrons. Il perd 1 électron pour former un ion.
a) Quel est le nombre d'électrons de l'ion formé ?
b) Quel est alors le nombre de protons et d'électrons de cet ion ?
c) Calcule la charge de l'ion.
d) Écris son symbole chimique.
Corrigé
a) 11 - 1 = 10 électrons.
b) L'ion possède 11 protons et 10 électrons.
c) Charge = 11 - 10 = +1.
d) Symbole : Na⁺.
5. Exercice 5 — Neutralité de l'eau de mer.
L'eau de mer contient des ions sodium Na⁺ et des ions chlorure Cl⁻. L'atome de chlore possède 17 protons et 17 électrons.
a) Na⁺ est-il un cation ou un anion ? Même question pour Cl⁻.
b) L'ion Cl⁻ a-t-il gagné ou perdu des électrons par rapport à l'atome de chlore ? Combien ? Quel est son nombre d'électrons ?
c) Une portion d'eau de mer contient 10 ions Na⁺ et 10 ions Cl⁻. Calcule la charge électrique totale de cette portion. Que conclure ?
Corrigé
a) Na⁺ : charge +1 → cation. Cl⁻ : charge -1 → anion.
b) L'ion Cl⁻ a gagné 1 électron. Il a donc 17 + 1 = 18 électrons.
c) Charge totale = (10 × +1) + (10 × -1) = +10 - 10 = 0. Conclusion : la portion d'eau de mer est globalement électriquement neutre, les charges des cations et des anions se compensent exactement.
Tu maîtrises la base ? Parfait. On va maintenant jeter un œil à ce qui t'attend en 3eme : écrire la formule d'un ion à partir de sa composition atomique, comprendre la notion de solution ionique et même toucher du doigt l'électroneutralité d'une solution. Curieux ? C'est par ici.
À toi de jouer
1. Exercice 1 — Du groupe d'atomes à l'ion polyatomique.
L'ion sulfate a pour formule SO₄²⁻. Il est composé d'un atome de soufre S et de 4 atomes d'oxygène O.
a) Sachant que l'atome de soufre possède 16 protons et que chaque atome d'oxygène possède 8 protons, calcule le nombre total de protons dans cet ion.
b) L'ion possède 50 électrons au total. Retrouve sa charge en utilisant la formule charge = nb protons - nb électrons.
c) Pourquoi appelle-t-on ce type d'ion un « ion polyatomique » ?
Corrigé
a) Protons totaux = 16 (S) + 4 × 8 (O) = 16 + 32 = 48 protons.
b) Charge = 48 - 50 = -2. Ce qui correspond bien au symbole SO₄²⁻.
c) On l'appelle ion polyatomique car il est formé de plusieurs atomes liés entre eux (poly = plusieurs), contrairement à un ion monoatomique comme Na⁺ ou Cl⁻.
2. Exercice 2 — Électroneutralité d'une solution.
Une solution contient des ions aluminium Al³⁺ et des ions chlorure Cl⁻. On y dénombre 20 ions Al³⁺.
a) Calcule la charge totale apportée par les ions Al³⁺.
b) Pour que la solution soit électriquement neutre, la charge totale des ions Cl⁻ doit compenser exactement celle des Al³⁺. Déduis-en le nombre d'ions Cl⁻ nécessaires.
c) Explique en une phrase pourquoi une solution ionique est toujours globalement neutre.
Corrigé
a) Charge Al³⁺ = 20 × (+3) = +60.
b) Chaque Cl⁻ apporte -1. Pour compenser +60, il faut 60 ions Cl⁻ (car 60 × (-1) = -60).
c) Une solution ionique est toujours globalement neutre car les charges positives des cations et les charges négatives des anions se compensent exactement ; la matière ne peut pas accumuler de charge électrique globale à l'échelle macroscopique.
3. Exercice 3 — Écriture de formule ionique (défi).
Un atome de calcium (Ca) possède 20 protons. Il perd 2 électrons pour former un ion calcium.
Un atome de phosphore (P) possède 15 protons. Il gagne 3 électrons pour former un ion phosphure.
a) Écris la formule de l'ion calcium et celle de l'ion phosphure.
b) Imagine maintenant un composé ionique solide qui associe ces deux ions. Combien d'ions de chaque type faut-il pour que l'ensemble soit électriquement neutre ? Propose une formule brute pour ce solide (comme on le fait en 3eme avec NaCl pour le sel).
Corrigé
a) Ion calcium : Ca²⁺. Ion phosphure : P³⁻.
b) Il faut que les charges s'annulent : 3 ions Ca²⁺ apportent +6, et 2 ions P³⁻ apportent -6. Total = 0. La formule brute serait Ca₃P₂ (3 ions calcium pour 2 ions phosphure). C'est exactement le principe d'écriture des formules de composés ioniques vu en 3eme.