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Chimie 3ᵉ

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Ions : cations, anions et tests d’identification

Comment un atome devient un ion, cation ou anion ; écrire et nommer les ions ; compter leurs protons et leurs électrons ; les solutions ioniques, électriquement neutres ; reconnaître un ion par un test à la soude ou au nitrate d’argent.

À propos de cette page
Ce cours de chimie de 3e explique en cinq parties ce qu’est un ion : un atome qui a perdu des électrons (cation, comme Zn²⁺) ou en a gagné (anion, comme Cl⁻) ; l’écriture et le nom des ions (fer (II) et fer (III), noms en -ure, sulfate, nitrate, hydroxyde) ; le calcul des protons et des électrons d’un ion à partir de Z ; la neutralité électrique des solutions ioniques ; les tests d’identification à la soude et au nitrate d’argent.
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Former un ion : cations et anions

Ce qu’il faut savoir Un atome est électriquement neutre : son noyau contient Z protons, de charge positive, et il possède autant d’électrons, de charge négative (voir Atome : noyau, électrons et neutralité).
Un ion est un atome ou un groupe d’atomes qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Il n’est plus neutre : il porte une charge électrique.
• Un cation est un ion positif : l’atome a perdu des électrons, il a maintenant plus de protons que d’électrons.
• Un anion est un ion négatif : l’atome a gagné des électrons.
• Le noyau ne change pas : l’ion garde ses Z protons, c’est toujours le même élément. Seuls les électrons sont échangés, jamais les protons.
• Un ion monoatomique est formé d’un seul atome (Zn²⁺, Cl⁻) ; un ion polyatomique est un groupe d’atomes liés qui porte une charge, comme l’ion ammonium NH₄⁺.
Les métaux forment des cations ; les non-métaux forment le plus souvent des anions, sauf l’hydrogène qui donne le cation H⁺ (voir Tableau périodique : éléments, périodes et familles).
Atome de zinc Zn30 protons : +3030 électrons : −30charge : 0Ion zinc Zn²⁺30 protons : +3028 électrons : −28charge : 2+ (cation)perd2 électronsAtome de chlore Cl17 protons : +1717 électrons : −17charge : 0Ion chlorure Cl⁻17 protons : +1718 électrons : −18charge : 1− (anion)gagne1 électron
Exemples

L’atome de zinc perd 2 électrons : il lui reste 28 électrons pour 30 protons. Il porte 2 charges positives : c’est le cation Zn²⁺.

L’atome de chlore gagne 1 électron : il a 18 électrons pour 17 protons. Il porte 1 charge négative : c’est l’anion Cl⁻.

L’ion nitrate NO₃⁻ est formé d’un atome d’azote et de trois atomes d’oxygène liés ; le groupe porte une charge négative : c’est un anion polyatomique.

Réflexe — je lis le signe de la charge : + → cation, l’atome a perdu des électrons ; − → anion, il en a gagné. Le chiffre donne le nombre d’électrons échangés (pas de chiffre : un seul).

Attention — perdre des électrons rend l’atome positif : l’électron est négatif, en enlever laisse plus de charges + que de charges −. Et un ion ne se forme jamais en perdant ou en gagnant des protons : le noyau ne change pas.

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Écrire et nommer un ion

Ce qu’il faut savoir Écrire un ion : le symbole de l’élément, puis en exposant le nombre d’électrons échangés suivi du signe. Pour une seule charge, on n’écrit pas le 1 : Na⁺, Cl⁻ ; pour plusieurs : Mg²⁺, O²⁻.
Nommer un ion :
• un cation porte le nom de l’élément : ion sodium, ion zinc. Quand un métal forme deux ions, un chiffre romain donne la charge : ion fer (II) Fe²⁺ et ion fer (III) Fe³⁺ ;
• un anion d’un seul atome a un nom en -ure : chlorure, fluorure, iodure, sulfure… sauf l’ion oxyde O²⁻ ;
• le nom des ions polyatomiques s’apprend : hydroxyde, nitrate, sulfate, carbonate, hydrogénocarbonate, ammonium.
Nommer une solution ou un solide ionique : le nom de l’anion, puis « de », puis le nom du cation : chlorure de sodium (Na⁺ et Cl⁻), sulfate de cuivre (II) (Cu²⁺ et SO₄²⁻).

Les ions à connaître

CationNomAnionNom
Na⁺ion sodiumCl⁻ion chlorure
K⁺ion potassiumF⁻ion fluorure
H⁺ion hydrogèneBr⁻ion bromure
Ag⁺ion argentI⁻ion iodure
Mg²⁺ion magnésiumO²⁻ion oxyde
Ca²⁺ion calciumS²⁻ion sulfure
Zn²⁺ion zincHO⁻ion hydroxyde
Cu²⁺ion cuivre (II)NO₃⁻ion nitrate
Fe²⁺ion fer (II)SO₄²⁻ion sulfate
Fe³⁺ion fer (III)CO₃²⁻ion carbonate
Al³⁺ion aluminiumHCO₃⁻ion hydrogénocarbonate
NH₄⁺ion ammonium

Le programme écrit aussi l’ion hydroxyde OH⁻. Les ions H⁺ et HO⁻ donnent leur caractère aux solutions acides et basiques (voir pH : solutions acides, neutres et basiques).

Exemples

L’atome d’aluminium perd 3 électrons : on écrit Al³⁺, le chiffre puis le signe.

Br⁻ est formé d’un seul atome, de brome : son nom se termine en -ure, c’est l’ion bromure.

SO₄²⁻ est l’ion sulfate ; S²⁻ est l’ion sulfure : deux noms proches, deux ions différents.

Le réactif qui contient des ions Ag⁺ et NO₃⁻ s’appelle le nitrate d’argent : l’anion d’abord, puis le cation.

Réflexe — pour écrire : symbole, puis chiffre, puis signe. Pour nommer : un cation garde le nom de l’élément (avec (II) ou (III) pour le fer) ; un anion d’un seul atome finit en -ure, sauf l’oxyde.

Attention — on écrit Al³⁺, et non Al⁺³ ni Al3 ; on ne confond pas l’ion sulfate SO₄²⁻ et l’ion sulfure S²⁻.

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Compter les protons et les électrons d’un ion

Ce qu’il faut savoir • Nombre de protons d’un ion = Z, comme dans l’atome : il ne change pas.
• Nombre d’électrons : je pars des Z électrons de l’atome, puis
— pour un cation de charge n+, j’enlève n : Z − n ;
— pour un anion de charge n−, j’ajoute n : Z + n.
• Dans l’autre sens, un cation Xⁿ⁺ qui a N électrons vient d’un atome qui en avait N + n : Z = N + n. Pour un anion Xⁿ⁻ : Z = N − n.
• La charge d’un ion = nombre de protons − nombre d’électrons : positive pour un cation, négative pour un anion.
IonZ = protonsÉlectrons de l’atomeÉlectrons de l’ion
Cu²⁺292929 − 2 = 27
Ba²⁺565656 − 2 = 54
O²⁻888 + 2 = 10
Exemples

Un ion X²⁺ possède 23 électrons : l’atome en avait 23 + 2 = 25. Z = 25 : c’est le manganèse, l’ion Mn²⁺.

Un ion a 47 protons et 46 électrons : sa charge vaut 47 − 46 = +1. Z = 47 est l’argent : c’est l’ion Ag⁺.

K⁺ (Z = 19) et S²⁻ (Z = 16) ont tous les deux 18 électrons (19 − 1 = 18 et 16 + 2 = 18), mais pas le même noyau : ce sont deux ions différents.

Et pour un ion polyatomique ?

On additionne les électrons de tous ses atomes, puis on tient compte de la charge. Ion ammonium NH₄⁺ : 7 électrons pour l’azote (Z = 7) et 4 × 1 pour les hydrogènes (Z = 1), soit 11 ; moins 1 pour la charge + : 10 électrons.

Réflexe — protons : toujours Z. Électrons : cation → Z − charge ; anion → Z + charge. Pour retrouver Z, je fais le chemin inverse.

Attention — on n’ajoute pas la charge d’un cation : Cu²⁺ a 27 électrons, pas 31. Et deux ions qui ont le même nombre d’électrons ne sont pas le même ion : c’est le nombre de protons qui dit de quel élément il s’agit.

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Solutions ioniques : la neutralité électrique

Ce qu’il faut savoir Une solution ionique contient des ions dissous : toujours des cations et des anions ensemble. Elle est électriquement neutre : il y a autant de charges + que de charges −.
• On l’écrit avec ses ions et leurs proportions : la solution de chlorure de zinc s’écrit (Zn²⁺ + 2 Cl⁻), deux ions chlorure pour un ion zinc : leurs 2 charges − compensent les 2 charges + de l’ion zinc.
• Pour trouver ces nombres, je cherche le plus petit nombre d’ions de chaque sorte qui donne autant de charges + que de charges −.
• Un solide ionique s’écrit sans les charges, le cation d’abord : MgCl₂ (un ion Mg²⁺ pour deux ions Cl⁻) est le chlorure de magnésium. Sa formule donne les proportions des ions ; elle permet de retrouver une charge inconnue.
• La neutralité porte sur les charges, pas sur le nombre d’ions : une solution peut contenir deux fois plus d’anions que de cations.
Fe³⁺Fe³⁺Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻Solution de chlorure de fer (III)2 × (+3)= +66 × (−1)= −6charge totale : +6 − 6 = 0trois ions Cl⁻ pour un ion Fe³⁺
Exemples

Sulfate d’aluminium : ions Al³⁺ et SO₄²⁻. Il faut 6 charges de chaque signe : 2 × (+3) = +6 et 3 × (−2) = −6. La solution s’écrit (2 Al³⁺ + 3 SO₄²⁻).

Dans le solide FeCl₃, les trois ions Cl⁻ apportent 3 charges − ; le fer porte donc 3 charges + : c’est l’ion Fe³⁺, et FeCl₃ est le chlorure de fer (III), celui de la figure.

Une eau minérale peut contenir plus de milligrammes d’anions que de cations : elle reste neutre, car la masse d’un ion ne dit rien de sa charge.

Réflexe — je compte les charges : nombre d’ions × charge de chaque ion ; total des charges + = total des charges − ; je prends les plus petits nombres possibles.

Attention — « électriquement neutre » ne veut pas dire « neutre » au sens du pH : la soude (Na⁺ + HO⁻) est électriquement neutre, et pourtant très basique. Et « neutre » ne veut pas dire « autant d’ions + que d’ions − ».

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Reconnaître un ion : les tests d’identification

Ce qu’il faut savoir Beaucoup d’ions sont invisibles en solution. Pour les reconnaître, on verse dans un peu de la solution, dans un tube à essais, quelques gouttes d’un réactif. Si l’ion cherché est présent, il se forme un précipité : un solide qui apparaît dans le liquide et le trouble. Sa couleur indique l’ion (banque de tests ci-dessous).
• La soude (hydroxyde de sodium) révèle des cations métalliques ; le nitrate d’argent révèle les ions chlorure. Les ions sodium, potassium et nitrate ne donnent aucun précipité avec ces deux réactifs.
• Un test sans précipité est aussi une information : l’ion cherché est absent (ou en trop petite quantité pour être vu).
• Certaines solutions sont colorées : bleue avec Cu²⁺, vert pâle avec Fe²⁺, orangée avec Fe³⁺. Les solutions d’ions zinc, aluminium, sodium ou chlorure sont incolores.
Ion recherchéRéactifObservation
ion cuivre (II) Cu²⁺soudeprécipité bleu
ion fer (II) Fe²⁺soudeprécipité vert
ion fer (III) Fe³⁺soudeprécipité rouille (orangé)
ion zinc Zn²⁺ ou ion aluminium Al³⁺soudeprécipité blanc
ion chlorure Cl⁻nitrate d’argentprécipité blanc qui noircit à la lumière
Cu²⁺soudebleuFe²⁺soudevertFe³⁺souderouilleZn²⁺, Al³⁺soudeblancCl⁻nitrated’argentblancchlorure d’argent : noircit à la lumière
Exemples

Une solution incolore donne un précipité blanc avec la soude : elle contient des ions Zn²⁺ ou des ions Al³⁺. Ce test seul ne permet pas de savoir lesquels.

De l’eau de cuisson des pâtes salée donne un précipité blanc avec le nitrate d’argent : elle contient des ions chlorure, ceux du sel (le chlorure de sodium).

Test témoin : on fait le même test avec de l’eau distillée. Avec le nitrate d’argent, l’eau distillée reste limpide alors que l’eau du robinet se trouble légèrement : l’eau du robinet contient un peu d’ions chlorure.

Sécurité

La soude est corrosive : blouse, lunettes et gants. Le nitrate d’argent est corrosif lui aussi, il tache la peau en noir (les taches mettent plusieurs jours à partir) et il est très toxique pour les êtres vivants aquatiques. On travaille avec de petites quantités et on verse les restes dans le bidon de récupération, jamais dans l’évier.

Réflexe — je choisis le réactif selon l’ion cherché (soude pour un cation métallique, nitrate d’argent pour l’ion chlorure), puis je lis la couleur du précipité dans la banque de tests.

Attention — un précipité blanc avec la soude ne révèle jamais des ions chlorure. On ne verse que quelques gouttes de soude : en excès, les précipités blancs du zinc et de l’aluminium se redissolvent. Et le précipité vert des ions fer (II) brunit à l’air (le fer (II) devient du fer (III)) : on l’observe tout de suite.

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Pour aller plus loin

Revoir. Protons, électrons et neutralité de l’atome : Atome : noyau, électrons et neutralité. Prévoir l’ion d’un élément des colonnes 1, 2, 13, 16 et 17 : Tableau périodique : éléments, périodes et familles.

Dans les autres chapitres de 3e. Les ions H⁺ et HO⁻ et la mesure du pH : pH : solutions acides, neutres et basiques. Les réactions des acides avec les métaux et le calcaire : Réactions des acides : métaux, calcaire et neutralisation. Écrire et ajuster une équation de réaction avec des ions, par exemple celle d’un précipité (Cu²⁺ + 2 HO⁻ → Cu(OH)₂) : Équations de réaction avec des ions.

Pour aller plus loin — les solutions qui conduisent le courant. Une solution ionique conduit le courant électrique, car ses ions, chargés, peuvent se déplacer : l’eau salée conduit, l’eau sucrée non, car le sucre se dissout en molécules entières, sans former d’ions. Voir Conductivité électrique des solutions. D’autres tests existent, comme celui des ions sulfate (précipité blanc avec le chlorure de baryum, un réactif toxique) : Ions et molécules.

Se verra en 2de. Pourquoi un atome forme tel ion plutôt qu’un autre : la répartition des électrons en couches et la stabilité des gaz nobles.

À retenir
  • Un ion est un atome ou un groupe d’atomes qui a perdu (cation, charge +) ou gagné (anion, charge −) des électrons ; son noyau ne change pas.
  • On écrit le symbole puis la charge en exposant (chiffre, puis signe) : Na⁺, Cu²⁺, Cl⁻, SO₄²⁻ ; les anions d’un atome ont un nom en -ure, sauf l’oxyde ; Fe²⁺ est l’ion fer (II), Fe³⁺ l’ion fer (III).
  • Protons de l’ion = Z ; électrons : Z − n pour un cation n+, Z + n pour un anion n−.
  • Une solution ionique est électriquement neutre : autant de charges + que de charges −, par exemple (Zn²⁺ + 2 Cl⁻).
  • Soude : précipité bleu (Cu²⁺), vert (Fe²⁺), rouille (Fe³⁺), blanc (Zn²⁺, Al³⁺) ; nitrate d’argent : précipité blanc qui noircit à la lumière (Cl⁻).

Questions fréquentes

Qu’est-ce qu’un ion ?

C’est un atome, ou un groupe d’atomes, qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. S’il en a perdu, il est positif : c’est un cation (Zn²⁺). S’il en a gagné, il est négatif : c’est un anion (Cl⁻). Son noyau ne change pas : il garde ses protons.

Comment écrire et nommer un ion ?

On écrit le symbole de l’élément, puis en exposant le nombre de charges suivi du signe : Al³⁺, O²⁻ (sans 1 pour une seule charge : Na⁺). Un cation garde le nom de l’élément (ion zinc, ion fer (III)) ; un anion d’un atome finit en -ure (chlorure, sulfure), sauf l’oxyde ; les ions polyatomiques ont leur propre nom (nitrate, sulfate, hydroxyde…).

Comment calculer le nombre d’électrons d’un ion ?

On part du numéro atomique Z, qui est le nombre de protons et le nombre d’électrons de l’atome. Pour un cation, on retire la charge : Cu²⁺ (Z = 29) a 27 électrons. Pour un anion, on l’ajoute : O²⁻ (Z = 8) a 10 électrons. Le nombre de protons reste Z.

Pourquoi une solution ionique est-elle électriquement neutre ?

Parce qu’elle contient des cations et des anions en proportions telles que les charges se compensent : dans le chlorure de zinc (Zn²⁺ + 2 Cl⁻), les deux charges + de l’ion zinc sont compensées par deux ions chlorure. Électriquement neutre ne veut pas dire neutre au sens du pH.

Comment reconnaître un ion avec la soude ou le nitrate d’argent ?

On verse quelques gouttes de réactif dans un peu de solution et on regarde le précipité. Avec la soude : bleu pour les ions cuivre (II), vert pour les ions fer (II), rouille pour les ions fer (III), blanc pour les ions zinc ou aluminium. Avec le nitrate d’argent : un précipité blanc qui noircit à la lumière révèle les ions chlorure.

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