Qu’est-ce qu’un ion, et comment prévoir sa charge ?

Les atomes sont neutres, les ions ne le sont pas

Un atome a des protons de charge positive dans son noyau et des électrons de charge négative autour. Dans un atome neutre, les nombres sont égaux, donc les charges s’annulent. Un atome de sodium a 11 protons et 11 électrons : sa charge globale est donc nulle.

Dans une réaction chimique, le noyau ne change pas, mais des électrons peuvent passer d’un atome à un autre. Si un atome se retrouve avec un nombre d’électrons différent de son nombre de protons, il a une charge globale et s’appelle un ion. Vous pouvez trouver la charge avec une seule soustraction : charge = protons − électrons.

Cations et anions

Lorsqu’un atome perd des électrons, il a plus de protons que d’électrons : sa charge est donc positive. Un ion positif s’appelle un cation. Le sodium perd 1 électron : 11 protons − 10 électrons = +1, l’ion est donc Na⁺. Le magnésium perd 2 électrons : 12 protons − 10 électrons = +2, noté Mg²⁺.

Lorsqu’un atome gagne des électrons, il a plus d’électrons que de protons : sa charge est donc négative. Un ion négatif s’appelle un anion. Le chlore gagne 1 électron : 17 protons − 18 électrons = −1, l’ion est donc Cl⁻. L’oxygène gagne 2 électrons : 8 protons − 10 électrons = −2, noté O²⁻.

Pour écrire une charge, mettez le nombre en premier et le signe en second, en exposant : Mg²⁺, et non Mg⁺². Si la charge est 1, omettez le nombre, comme dans Na⁺ et Cl⁻.

Pourquoi les atomes gagnent ou perdent des électrons

Les atomes sont les plus stables avec une couche externe pleine, comme les gaz nobles. Les électrons du sodium sont répartis 2, 8, 1. En perdant son unique électron externe, il reste 2, 8, le même arrangement que le néon. Gagner 7 électrons demanderait bien plus d’énergie ; le sodium en perd donc 1.

Le chlore est réparti 2, 8, 7. En gagnant seulement 1 électron, il obtient 2, 8, 8, comme l’argon. En général, les métaux n’ont que quelques électrons externes et ont tendance à les perdre en formant des cations, tandis que les non-métaux ont beaucoup d’électrons externes et ont tendance à en gagner davantage en formant des anions.

Prévoir les charges d’après le groupe

Pour les éléments des groupes principaux, le tableau périodique vous indique la charge habituelle. Les métaux du groupe 1 forment des ions +1 (Li⁺, Na⁺, K⁺), ceux du groupe 2 des ions +2 (Mg²⁺, Ca²⁺) et l’aluminium, du groupe 13, forme Al³⁺.

Du côté droit, comptez combien d’électrons chaque atome doit gagner pour atteindre 8. Les éléments du groupe 15 ont 5 électrons externes et en ont besoin de 3 de plus : ils forment donc des ions −3 (N³⁻). Les éléments du groupe 16 en ont besoin de 2 de plus et forment des ions −2 (O²⁻, S²⁻), et ceux du groupe 17 en ont besoin d’1 de plus et forment des ions −1 (F⁻, Cl⁻, Br⁻). Les gaz nobles ont déjà une couche pleine ; leur charge est donc 0. Le carbone et le silicium du groupe 14 partagent généralement des électrons plutôt que de former des ions simples.

De nombreux métaux de transition peuvent former plus d’un ion. Le fer forme Fe²⁺ et Fe³⁺, et le cuivre forme Cu⁺ et Cu²⁺. Leurs noms utilisent un chiffre romain pour indiquer la charge : fer(II) désigne Fe²⁺ et fer(III) désigne Fe³⁺.

Nommer les ions et les combiner

Un cation garde le nom de son élément : Na⁺ est l’ion sodium et Ca²⁺ est l’ion calcium. Un anion monoatomique change sa terminaison en -ure : le chlore devient chlorure (Cl⁻), l’oxygène devient oxyde (O²⁻), le soufre devient sulfure (S²⁻) et l’azote devient nitrure (N³⁻).

Dans un composé, les charges positives et négatives doivent s’additionner pour donner zéro. Na⁺ et Cl⁻ s’équilibrent un pour un, ce qui donne NaCl, le sel de table. Le chlorure de calcium nécessite deux ions Cl⁻ pour chaque Ca²⁺ ; sa formule est donc CaCl₂. L’oxyde d’aluminium nécessite deux ions Al³⁺ (+6 au total) et trois ions O²⁻ (−6 au total) ; c’est donc Al₂O₃.