0Pour bien démarrer
🎯 Objectifs
- Décrire la constitution d'un atome (noyau : protons et neutrons ; électrons).
- Expliquer pourquoi un atome est électriquement neutre.
- Lire une formule chimique et compter les atomes d'une molécule.
- Définir un ion, distinguer cation et anion, écrire sa formule.
- Utiliser des tests caractéristiques pour identifier des ions en solution.
🧰 Prérequis
- La matière est constituée de molécules et d'atomes (5e, 4e).
- Symboles de quelques atomes : H, C, O, N.
- Conservation de la masse lors d'une transformation chimique (4e).
- Puissances de 10 (mathématiques).
🔎 Situation de départ
Une bouteille d'eau minérale porte la mention « riche en ions calcium Ca2+ ». L'eau salée conduit le courant électrique, mais pas l'eau sucrée. Qu'est-ce qu'un ion, et quel est le lien avec l'atome ?
1L'atome : un noyau et des électrons
Un atome est constitué :
- d'un noyau central, formé de protons (charge positive) et de neutrons (charge nulle) ; protons et neutrons sont les nucléons ;
- d'électrons (charge négative) qui se déplacent autour du noyau.
Charge élémentaire
Proton : $+e$ · Électron : $-e$ · avec $e = 1{,}6\times10^{-19}$ C (coulomb).
À retenir
Un atome contient autant de protons que d'électrons : il est électriquement neutre. Ce nombre est le numéro atomique $Z$ ; il caractérise l'élément chimique (ex. : $Z = 6$ → carbone C ; $Z = 8$ → oxygène O).
Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome : l'atome est essentiellement fait de vide (structure lacunaire). Pourtant, presque toute la masse est dans le noyau : un proton est environ 1 836 fois plus lourd qu'un électron.
| Particule | Charge | Masse |
|---|---|---|
| Proton | $+e$ | $1{,}67\times10^{-27}$ kg |
| Neutron | 0 | ≈ $1{,}67\times10^{-27}$ kg |
| Électron | $-e$ | $9{,}11\times10^{-31}$ kg |
2Molécules et formules chimiques
Une molécule est un assemblage d'atomes liés entre eux. Sa formule chimique indique la nature des atomes (symboles) et leur nombre (indice en bas à droite ; l'indice 1 ne s'écrit pas).
$\mathrm{H_2O}$ : 2 atomes d'hydrogène + 1 atome d'oxygène = 3 atomes.
$\mathrm{CO_2}$ : 1 atome de carbone + 2 atomes d'oxygène = 3 atomes.
$\mathrm{C_3H_8}$ (propane) : 3 C + 8 H = 11 atomes.
Dans les modèles moléculaires : H blanc, C noir, O rouge, N bleu.
Attention : 2 H₂O = deux molécules d'eau (le 2 devant est un coefficient), alors que dans H₂O, le 2 est un indice.
3Les ions
Un ion est un atome (ou un groupe d'atomes) qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Le noyau, lui, ne change pas.
- Un atome qui perd des électrons devient un ion positif : un cation (ex. Na+, Ca2+, Cu2+, Fe3+).
- Un atome qui gagne des électrons devient un ion négatif : un anion (ex. Cl−, O2−).
Formule d'un ion
On écrit la charge en exposant, nombre puis signe : Cu2+ = atome de cuivre qui a perdu 2 électrons. Charge de l'ion = (nombre de protons − nombre d'électrons) × $e$.
Il existe des ions polyatomiques, formés de plusieurs atomes : ion hydroxyde HO−, ion sulfate SO42−, ion nitrate NO3−, ion hydrogénocarbonate HCO3−.
4Solutions ioniques et tests d'ions
Une solution ionique contient des cations et des anions. Elle est toujours électriquement neutre : les charges positives compensent les charges négatives. C'est pourquoi la formule du chlorure de calcium s'écrit CaCl2 : un ion Ca2+ pour deux ions Cl−.
Les ions se déplacent dans la solution : c'est ce qui permet à l'eau salée de conduire le courant électrique (l'eau sucrée, sans ions, le conduit très mal).
| Ion recherché | Réactif ajouté | Observation (précipité) |
|---|---|---|
| Cu2+ (cuivre II) | soude (hydroxyde de sodium) | bleu |
| Fe2+ (fer II) | soude | vert |
| Fe3+ (fer III) | soude | rouille (orangé) |
| Cl− (chlorure) | nitrate d'argent | blanc, qui noircit à la lumière |
🧪 Simulation 1 — Construis un atome ou un ion
Règle les nombres de protons, neutrons et électrons. Observe ce qui change le nom de l'élément et ce qui change la charge.
Représentation simplifiée, pas à l'échelle : en réalité le noyau serait 100 000 fois plus petit que l'atome, et les électrons ne sont pas des billes immobiles mais forment un « nuage » autour du noyau.
🧪 Simulation 2 — L'atome à notre échelle
Agrandis l'atome par la pensée : si le noyau avait la taille d'un objet courant, quelle serait la taille de l'atome ?
🧪 Simulation 3 — Compter les atomes d'une molécule
🛠️ Méthode — Écrire la formule d'un ion à partir de sa composition
Énoncé
Une entité chimique possède 26 protons, 30 neutrons et 23 électrons. Est-ce un atome ou un ion ? Écris sa formule.
Exemple entièrement rédigé
- Identifier l'élément : le nombre de protons est $Z = 26$ ; c'est l'élément fer, de symbole Fe (les neutrons ne changent pas l'élément).
- Comparer protons et électrons : 26 protons et 23 électrons : il y a 3 électrons de moins que de protons, ce n'est donc pas un atome (il n'est pas neutre).
- Calculer la charge : $q = (26 - 23)\times e = +3e$.
- Conclure : l'entité a perdu 3 électrons : c'est un cation.
- Écrire la formule : Fe3+ (ion fer III) : le nombre puis le signe, en exposant.
- Vérifier : charge du noyau +26, charge des électrons −23 : total +3. ✔
⚠️ Erreurs fréquentes
| Ce qu’on lit souvent | Ce qu’il faut retenir |
|---|---|
| ❌ Un ion positif a gagné des protons. | ✅ Le noyau ne change jamais : un cation a perdu des électrons. |
| ❌ Cl− a perdu un électron. | ✅ Le signe − indique un électron en plus : Cl− a gagné 1 électron. |
| ❌ On écrit Ca+2. | ✅ On écrit le nombre puis le signe : Ca2+. |
| ❌ L'atome est « plein » de matière. | ✅ L'atome est essentiellement du vide : noyau 100 000 fois plus petit que l'atome. |
| ❌ Dans CO2, il y a 2 molécules d'oxygène. | ✅ L'indice 2 indique 2 atomes d'oxygène dans une molécule. |
| ❌ Une solution d'ions Cu2+ est chargée positivement. | ✅ Une solution est toujours neutre : elle contient aussi des anions (ex. SO42−). |
📌 L’essentiel
- Atome = noyau (protons + , neutrons 0) + électrons (−). Nombre de protons = nombre d'électrons = $Z$ : l'atome est neutre.
- Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome mais contient presque toute sa masse.
- Formule chimique : symboles + indices (nombre d'atomes de chaque sorte).
- Ion = atome ou groupe d'atomes ayant gagné (anion, −) ou perdu (cation, +) des électrons. Charge = (protons − électrons) × $e$.
- Une solution ionique est électriquement neutre et conduit le courant.
- Tests : soude → Cu2+ bleu, Fe2+ vert, Fe3+ rouille ; nitrate d'argent → Cl− blanc noircissant.
✅ Quiz — je fais le point
Réponds seul(e). Aucune correction n’est affichée : ton professeur fera le bilan avec toi.
1. Où se trouvent les protons ?
2. Un atome de sodium possède 11 protons. Combien a-t-il d'électrons ?
3. L'ion Mg2+ :
4. Combien d'atomes compte la molécule C2H6O ?
5. L'atome est environ … fois plus grand que son noyau :
6. On ajoute de la soude à une solution : il se forme un précipité rouille. La solution contient :