Atomes, molécules, ions

Les prérequis et l'idée en une phrase

Ce qu'il faut déjà savoir : toute la matière (l'eau, l'air, le fer, le plastique...) est faite de grains minuscules ; il faut aussi savoir compter et reconnaître un symbole chimique, c'est-à-dire une majuscule seule comme $\text{O}$, ou une majuscule suivie d'une minuscule comme $\text{Na}$.

L'idée en une phrase : la matière est bâtie à partir d'atomes (des billes minuscules, de taille environ $10^{-10}$ m). Ces atomes s'accrochent entre eux pour former des molécules, ou perdent et gagnent des électrons pour devenir des ions.

Un atome a un noyau chargé positivement ($+$) au centre, entouré d'électrons chargés négativement ($-$). Comme il y a autant de $+$ que de $-$, l'atome est neutre : sa charge totale est nulle.

Les formules clés (à retenir par cœur)

Trois choses à retenir, pas une de plus :

1. Atome neutre : $\text{nombre de protons} = \text{nombre d'électrons}$.

2. Charge d'un ion : $\text{charge} = \text{nombre de protons} - \text{nombre d'électrons}$.

3. Cation ou anion : un atome qui perd des électrons devient positif, c'est un cation comme $\text{Na}^+$ ; un atome qui gagne des électrons devient négatif, c'est un anion comme $\text{Cl}^-$.

Pour une molécule, la formule chimique te dit quels atomes et combien. Dans $\text{H}_2\text{O}$, le petit $2$ écrit en bas veut dire « $2$ atomes d'hydrogène $\text{H}$ », et il y a $1$ atome d'oxygène $\text{O}$.

Un exemple fait en entier

Question type : l'atome de chlore possède $17$ protons et $17$ électrons. Il gagne $1$ électron. Quel ion obtient-on ?

Étape 1 — Au départ l'atome est neutre : $17$ protons et $17$ électrons, donc autant de $+$ que de $-$.

Étape 2 — Il gagne $1$ électron : il a maintenant toujours $17$ protons, mais $18$ électrons.

Étape 3 — On calcule la charge : $\text{charge} = 17 - 18 = -1$.

Étape 4 — La charge est négative : c'est un anion, l'ion chlorure $\text{Cl}^-$.

Et voilà : tu sais déjà faire l'exercice le plus classique du chapitre.

Les trois définitions au propre

Un atome est constitué d'un noyau central, formé de protons (charge $+$) et de neutrons (sans charge), autour duquel se déplacent des électrons (charge $-$). Un atome est toujours électriquement neutre : son nombre de protons est égal à son nombre d'électrons. Par exemple, l'atome d'oxygène possède $8$ protons et $8$ électrons. Sa taille est de l'ordre de $10^{-10}$ m.

Une molécule est un assemblage d'au moins deux atomes liés chimiquement entre eux. Sa formule chimique indique la nature et le nombre de chaque atome qui la compose. Par exemple, la molécule d'eau $\text{H}_2\text{O}$ contient $2$ atomes d'hydrogène $\text{H}$ et $1$ atome d'oxygène $\text{O}$.

Un ion est un atome (ou un groupe d'atomes) qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons : il n'est donc plus neutre, il porte une charge électrique. Un ion positif s'appelle un cation ($\text{Na}^+$, $\text{Ca}^{2+}$) ; un ion négatif s'appelle un anion ($\text{Cl}^-$, $\text{O}^{2-}$).

Les règles à connaître

Tout le chapitre repose sur quatre règles simples :

• Neutralité de l'atome : $\text{nombre de protons} = \text{nombre d'électrons}$.
• Charge d'un ion : $\text{charge} = \text{nombre de protons} - \text{nombre d'électrons}$.
• Cation : l'atome perd des électrons, il reste plus de $+$ que de $-$, donc $\text{charge} > 0$.
• Anion : l'atome gagne des électrons, il y a plus de $-$ que de $+$, donc $\text{charge} < 0$.

Point capital : quand un atome devient un ion, seul le nombre d'électrons change. Le noyau ne bouge pas, donc le nombre de protons reste toujours le même.

Méthode : lire une formule chimique

Pour compter les atomes d'une molécule, procède toujours dans le même ordre :

• 1. Repère les symboles des éléments : une majuscule seule ($\text{O}$, $\text{C}$, $\text{H}$) ou une majuscule suivie d'une minuscule ($\text{Na}$, $\text{Cl}$).
• 2. Lis l'indice écrit en bas à droite de chaque symbole : c'est le nombre d'atomes de cet élément.
• 3. Pas d'indice écrit = $1$ seul atome de cet élément.
• 4. Additionne tous les indices pour obtenir le nombre total d'atomes.

Exemple, le glucose $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$.

Étape 1 — On repère trois éléments : le carbone $\text{C}$, l'hydrogène $\text{H}$ et l'oxygène $\text{O}$.

Étape 2 — On lit les indices : $6$ atomes de $\text{C}$, $12$ atomes de $\text{H}$, $6$ atomes de $\text{O}$.

Étape 3 — Nombre total d'atomes : $6 + 12 + 6 = 24$.

Ensemble : lire deux formules

On prend deux molécules et on compte, ligne par ligne.

Molécule 1 — l'eau $\text{H}_2\text{O}$.

On repère les symboles : $\text{H}$ (hydrogène) et $\text{O}$ (oxygène).

L'indice $2$ est collé à droite du $\text{H}$ : il y a donc $2$ atomes d'hydrogène.

Le $\text{O}$ n'a pas d'indice, ce qui veut dire $1$ atome d'oxygène.

Total : $2 + 1 = 3$ atomes dans une molécule d'eau.

Molécule 2 — le dioxyde de carbone $\text{CO}_2$.

On repère les symboles : $\text{C}$ (carbone) et $\text{O}$ (oxygène).

Le $\text{C}$ n'a pas d'indice : $1$ atome de carbone.

L'indice $2$ est collé au $\text{O}$ : $2$ atomes d'oxygène.

Total : $1 + 2 = 3$ atomes. Attention, ici le $2$ concerne l'oxygène, pas le carbone !

Ensemble : fabriquer un anion

Exercice : l'atome d'oxygène a $8$ protons et $8$ électrons. Il gagne $2$ électrons. Quel ion obtient-on ?

On part de l'atome neutre : $8$ protons ($+$) et $8$ électrons ($-$). On vérifie : $8 = 8$, il est bien neutre.

Il gagne $2$ électrons : le noyau ne change pas, donc toujours $8$ protons, mais maintenant $8 + 2 = 10$ électrons.

On applique la formule de la charge : $\text{charge} = \text{nombre de protons} - \text{nombre d'électrons} = 8 - 10 = -2$.

La charge vaut $-2$ : c'est un anion, l'ion oxyde $\text{O}^{2-}$.

Ensemble : fabriquer un cation

Exercice : on te donne un atome de sodium $\text{Na}$ qui possède $11$ protons et $11$ électrons. Il perd $1$ électron. Quel ion obtient-on ?

Atome neutre au départ : $11$ protons et $11$ électrons ($11 = 11$, il est bien neutre).

Il perd $1$ électron : le noyau garde ses $11$ protons, mais il ne reste que $11 - 1 = 10$ électrons.

On calcule la charge : $\text{charge} = 11 - 10 = +1$.

La charge est positive : c'est un cation, l'ion sodium $\text{Na}^+$.

Remarque la symétrie avec l'exercice précédent : gagner des électrons donne un $-$ (anion), perdre des électrons donne un $+$ (cation). Le noyau, lui, ne bouge jamais.

Les subtilités et les pièges classiques

Ce qui distingue une copie sûre d'une copie approximative :

• Un atome n'est pas un ion : l'atome est neutre, l'ion est chargé. Ne confonds jamais les deux.
• Les neutrons n'ont aucune charge : ils ne servent ni à la neutralité de l'atome, ni au calcul de la charge de l'ion. Dans $\text{charge} = \text{protons} - \text{électrons}$, ils n'apparaissent pas.
• Un indice ne porte que sur le symbole juste à sa gauche : dans $\text{H}_2\text{O}$, le $2$ concerne uniquement le $\text{H}$, jamais le $\text{O}$.
• Un ion ne perd ou ne gagne que des électrons, jamais des protons : le noyau reste identique. Le sodium reste du sodium, qu'il soit atome $\text{Na}$ ou ion $\text{Na}^+$.
• Le nombre écrit en exposant (en haut) est la charge de l'ion ($\text{Ca}^{2+}$) ; le nombre écrit en indice (en bas) est un nombre d'atomes ($\text{O}_2$). Ne les mélange pas.

Problème type résolu : l'ion calcium

Énoncé : un atome de calcium possède $20$ protons et $20$ électrons. Il se transforme en ion calcium $\text{Ca}^{2+}$. A-t-il perdu ou gagné des électrons, et combien ? Combien lui en reste-t-il ?

Étape 1 — On lit la charge de l'ion dans son écriture : $\text{Ca}^{2+}$ a une charge de $+2$.

Étape 2 — On pose la relation de la charge : $\text{charge} = \text{nombre de protons} - \text{nombre d'électrons}$.

Le noyau ne change pas, donc l'ion a toujours $20$ protons. En appelant $n$ le nombre d'électrons de l'ion : $+2 = 20 - n$.

Étape 3 — On résout : $n = 20 - 2 = 18$. L'ion $\text{Ca}^{2+}$ possède donc $18$ électrons.

Étape 4 — On compare à l'atome de départ, qui avait $20$ électrons : $20 - 18 = 2$. L'atome a donc perdu $2$ électrons, ce qui est cohérent avec une charge $+2$ (un cation).

Ce que le correcteur attend : la relation $\text{charge} = \text{protons} - \text{électrons}$ écrite explicitement, le rappel que le nombre de protons ne change pas, le calcul détaillé, puis la conclusion « perdu $2$ électrons, c'est un cation ». La bonne réponse posée sans la relation ne rapporte pas tous les points.

Problème type résolu : corriger une lecture de formule

Énoncé : Léa affirme que la molécule d'eau $\text{H}_2\text{O}$ contient $2$ atomes d'hydrogène et $2$ atomes d'oxygène. Où est son erreur ? Donne la bonne composition et le nombre total d'atomes.

Étape 1 — On applique la règle de l'indice : il ne porte que sur le symbole juste à sa gauche. Le $2$ est collé au $\text{H}$, donc il y a bien $2$ atomes d'hydrogène.

Étape 2 — Le $\text{O}$ n'a aucun indice écrit : cela signifie $1$ seul atome d'oxygène, et non $2$. C'est là qu'est l'erreur de Léa.

Étape 3 — Bonne composition : $2$ atomes de $\text{H}$ et $1$ atome de $\text{O}$, soit $2 + 1 = 3$ atomes en tout.

Piège désamorcé : « pas d'indice » ne veut pas dire « le même indice que le voisin », cela veut dire exactement $1$. C'est l'erreur la plus fréquente du chapitre.

Comment cette notion se relie au reste du programme

Les atomes, molécules et ions ne vivent pas seuls dans ton manuel : ils sont la clé de plusieurs autres chapitres.

• Formules chimiques : savoir lire $\text{H}_2\text{O}$ ou $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$, c'est exactement ce dont tu as besoin pour écrire ensuite les équations de réaction.
• Conservation de la masse (Lavoisier) : au cours d'une transformation chimique, les atomes ne sont ni créés ni détruits, ils se réorganisent. Comme le nombre d'atomes de chaque élément se conserve, la masse totale se conserve aussi. L'atome est la brique qui explique cette loi.
• Acides, bases et pH : ce chapitre parle en réalité d'ions présents dans les solutions. Comprendre ce qu'est un ion, c'est comprendre pourquoi une solution est acide ou basique.

Une même idée, l'ion, sert donc à expliquer aussi bien le sel dissous dans l'eau que l'acidité d'un jus de citron.

Pourquoi un atome devient-il un ion ? (l'idée derrière la règle)

En 4e, on te dit qu'un atome « perd » ou « gagne » des électrons, mais pourquoi le ferait-il ? Voici l'idée que tu creuseras en 3e et au lycée.

Les électrons d'un atome sont rangés en couches autour du noyau. Un atome est particulièrement stable quand sa dernière couche est complète. Pour y parvenir, certains atomes ont intérêt à perdre quelques électrons, d'autres à en gagner : c'est cette recherche de stabilité qui décide s'ils deviennent cation ou anion.

Cela explique une régularité que tu peux déjà observer : le sodium donne $\text{Na}^+$ (il perd $1$), le calcium donne $\text{Ca}^{2+}$ (il perd $2$), le chlore donne $\text{Cl}^-$ (il gagne $1$), l'oxygène donne $\text{O}^{2-}$ (il gagne $2$). Le nombre de charges n'est pas dû au hasard : il correspond au nombre d'électrons qu'il faut ajouter ou retirer pour compléter cette dernière couche.

Un aperçu de la 3e et du lycée

Ce qui t'attend, en gardant exactement les mêmes briques :

• Le tableau périodique des éléments : tous les atomes rangés dans une grande grille. La position d'un atome te dira quel ion il a tendance à former.
• Le numéro atomique $Z$ : c'est simplement le nombre de protons du noyau. C'est lui qui définit l'identité d'un élément : tout atome à $8$ protons est de l'oxygène.
• Les composés ioniques : quand un cation et un anion s'attirent, ils forment un solide comme le sel de cuisine. Le sodium $\text{Na}$ cède un électron au chlore $\text{Cl}$ : on obtient $\text{Na}^+$ et $\text{Cl}^-$, qui s'assemblent en chlorure de sodium $\text{NaCl}$.
• Équilibrer les équations : puisque les atomes se conservent, tu apprendras à ajuster les nombres devant chaque formule pour avoir autant d'atomes de chaque élément avant et après la réaction.

Tout part de trois briques que tu connais déjà : atome, molécule, ion. Le reste, ce ne sont que des assemblages de plus en plus grands.