Les ions : cours de 3e

Quand tu verses du sel de cuisine dans un verre d'eau et que tu remues, les grains disparaissent. Pourtant le sel est toujours là : l'eau est devenue salée. Une question se pose alors : sous quelle forme le sel se trouve-t-il dans l'eau, et peut-on le retrouver ? ¹

Pour répondre, il faut revenir à ce que tu sais sur l'atome. Un atome est constitué d'un noyau, chargé positivement, et d'électrons, chargés négativement, qui se déplacent autour. Un atome est électriquement neutre parce qu'il possède autant de protons dans le noyau que d'électrons autour.

Les ions apparaissent quand cet équilibre est rompu. Dans ce cours, tu vas apprendre à les définir, à écrire leur formule, à prévoir leur charge, à comprendre ce qu'est une solution ionique et à reconnaître quelques ions par des tests simples.

Pour ne pas confondre, retiens ce petit moyen : le cation est positif, car le t de cation ressemble à un signe +. L'anion est celui qui s'écrit avec un n comme négatif.

Prenons un exemple. Un atome de sodium possède 11 protons et 11 électrons. S'il perd un électron, il lui reste 11 protons mais seulement 10 électrons. Il y a alors une charge positive de trop : on obtient l'ion sodium, de charge $+e$, noté $Na^+$.

Un atome de chlore possède 17 protons et 17 électrons. S'il gagne un électron, il a 17 protons et 18 électrons. Il y a une charge négative de trop : on obtient l'ion chlorure, noté $Cl^-$.

La formule d'un ion s'écrit avec le symbole de l'atome (ou le groupe d'atomes) suivi, en exposant, de sa charge. On écrit d'abord le nombre de charges, puis le signe, et on n'écrit pas le chiffre 1.

• $Na^+$ : une charge positive.
• $Cl^-$ : une charge négative.
• $Cu^{2+}$ : deux charges positives.
• $O^{2-}$ : deux charges négatives.

Certains ions sont formés de plusieurs atomes liés entre eux et portent une charge globale. On les appelle ions polyatomiques. Voici ceux qu'on rencontre le plus souvent en 3e :

Pour ces ions, la charge est celle de l'ensemble du groupe : $SO_4^{2-}$ est un seul ion, qui porte deux charges négatives.

Beaucoup de solides sont constitués d'ions empilés de façon régulière : ce sont des solides ioniques. Le sel de cuisine, ou chlorure de sodium, en est un exemple : il est formé d'ions sodium $Na^+$ et d'ions chlorure $Cl^-$. En présence d'eau, les ions se séparent et se dispersent entre les molécules d'eau : c'est la dissolution. Les ions du sel restent présents dans l'eau salée ¹.

On peut écrire cette transformation par une équation :

$NaCl_{(s)} \longrightarrow Na^+_{(aq)} + Cl^-_{(aq)}$

L'indice $(s)$ signifie « solide » et l'indice $(aq)$ signifie « en solution aqueuse », c'est-à-dire dissous dans l'eau. Cette équation traduit le fait que, une fois le sel dissous, on retrouve ses ions dans l'eau ¹.

L'eau pure conduit très mal le courant électrique. En revanche, une solution ionique le conduit bien. Pourquoi ? Parce que le courant dans une solution est dû au déplacement des ions, alors que dans un fil métallique ce sont des électrons qui se déplacent.

Quand on relie deux électrodes à un générateur et qu'on les plonge dans la solution :

• les cations se dirigent vers l'électrode reliée à la borne négative du générateur ;
• les anions se dirigent vers l'électrode reliée à la borne positive.

Les charges opposées s'attirent : c'est ce qui explique le sens du déplacement.

Pour savoir quels ions contient une solution, on ne peut pas les voir. On utilise des tests caractéristiques : on ajoute un réactif et on observe si un précipité se forme. Un précipité est un solide qui apparaît dans la solution ; sa couleur renseigne sur l'ion présent.

Pour tester un cation métallique, on ajoute une solution d'hydroxyde de sodium (soude), qui apporte des ions hydroxyde $HO^-$. Pour tester l'ion chlorure, on ajoute une solution de nitrate d'argent, qui apporte des ions argent $Ag^+$. Pour tester l'ion sulfate, on ajoute une solution contenant des ions baryum $Ba^{2+}$.

Au brevet, les erreurs sur les ions viennent presque toujours des mêmes confusions. Les voici, avec la façon de les éviter.