Tu sais peut-être déjà, grâce à la biologie, que le sang contient les fameux globules rouges, dont la fonction est de transporter l'oxygène \( O_2 \) vital dans tes organes. Mais comment les globules rouges parviennent-ils à fixer l'oxygène ? Qu'est-ce qui se cache derrière ce processus sur le plan chimique ? Pour comprendre pourquoi les globules sanguins peuvent transporter des molécules d'oxygène, tu dois savoir ce qu'est ce que l'on appelle un cation.
En chimie, les anions sont des ions qui ont une charge négative. Presque tous les atomes ou molécules peuvent présenter des charges négatives. Il existe donc une multitude d'anions différents.
Tu apprendras dans ce résumé de cours ce que sont exactement les ions, les cations et les anions.
- Ce résumé de cours porte sur les ions.
- Nous commencerons par comprendre comment l'atome perd ou gagne pour des électrons se transformer en ion.
- Ensuite, nous explorerons les ions, puis nous distinguerons leurs différences.
- Ensuite, nous apprendrons la différence de rayon et ce qu'est une résine d'échange.
- Nous présenterons des exemples de cations et d'anions courants.
- Enfin, nous aborderons les ions polyatomiques.
Atome
Dans la plupart des atomes, le nombre de protons est égal au nombre d'électrons. Cela signifie que, normalement, un atome n'a aucune charge. Un atome peut être chargé négativement lorsqu'il gagne des électrons (anions) et vice-versa (chargé positivement) lorsqu'il perd des électrons (cations). Le terme "ion" est utilisé pour désigner un atome chargé, quel que soit le signe de cette charge.
La compréhension des ions est essentielle lorsqu'il s'agit du mouvement des électrons et des liaisons en chimie.
Électron
Les électrons sont des particules très importantes. Ils circulent dans nos fils et câbles pour nous donner de l'électricité, et ils sont également responsables de la liaison !
Les électrons de valence sont les électrons qui existent dans le niveau d'énergie le plus élevé ou le plus externe d'un atome.
Les atomes veulent être aussi stables que possible, ils veulent donc avoir une couche complète d'électrons de valence. Nous appelons cela un octet, car il y a \( 8 \) électrons. L'hydrogène et l'hélium sont deux exceptions à la règle de l'octuor, car ils n'ont besoin que de deux électrons pour remplir leur couche d'électrons de valence. Ceci est dû au fait qu'ils n'ont qu'un seul niveau d'énergie.
Les gaz nobles sont les éléments les plus stables, car ils ont une enveloppe électronique de valence complète. Dans un sens, tous les atomes essaient de ressembler aux gaz nobles.
Qu'est-ce qu'un ion ?
Commençons par examiner la définition d'un ion.
Un ion est une molécule ayant une charge nette \( (+ ou -) \) .
Comme mentionné ci-dessus, les ions sont des molécules chargées. Le mot "ion" a été introduit pour la première fois par Michael Faraday en \( 1834 \) pour décrire une substance qu'il avait observée se déplaçant dans un courant.
Le terme "ion" vient du mot grec de même orthographe, qui signifie "aller", tandis que les noms "cation" et "anion" désignent respectivement un élément qui se déplace vers le bas et vers le haut.
En chimie, nous écrivons les cations avec le signe \( + \) et les anions avec le signe \( - \) . Le symbole numérique inscrit à côté des charges indique combien d'électrons l'atome a perdu ou gagné, respectivement.
Fig.1- Illustration des cations et des anions se formant à partir d'un atome neutre suite à la perte et au gain d'électrons, respectivement.
Garde à l'esprit que les électrons sont chargés négativement \( (-) \), ce qui signifie que lorsque nous les PERDONS, notre atome devient chargé positivement, \( + \), et que lorsqu'un atome gagne des électrons, il devient chargé négativement, \( - \).
Cation : ion positif
La base de la compréhension des cations est la structure de l'atome. Un atome se compose d'un noyau atomique et d'une enveloppe atomique. Le noyau atomique est chargé positivement, car il contient des protons, c'est-à-dire des particules chargées positivement, tandis que l'enveloppe atomique contient des électrons, c'est-à-dire des particules chargées négativement.
Les cations sont des ions chargés positivement \( (+) \) . Leur charge positive provient du fait qu'ils ont plus de protons que d'électrons. Ils se forment lorsqu'un atome souvent neutre perd un ou plusieurs électrons.
Anion : ion négatif
Les anions sont des ions chargés négativement \( (-) \) . Leur charge négative provient du fait qu'ils ont plus d'électrons que de protons. Ils se forment lorsqu'un atome neutre gagne un ou plusieurs électrons.
Un moyen rapide de se rappeler que les anions sont chargés négativement est de considérer le N de aNion comme négatif et le t de caTion comme un signe \( + \) .
Rayon du cation, de l'ion et de l'anion
Maintenant que nous connaissons la définition des ions et les différences entre eux, il est temps de passer en revue les rayons ioniques.
Rappelle-toi que le rayon atomique est la moitié de la distance entre deux noyaux d'atomes neutres. En revanche, le rayon ionique décrit la moitié de la distance entre deux noyaux d'atomes non neutres.
Le rayon ionique est la moitié du diamètre d'un ion.
Pour des informations plus détaillées sur les tendances périodiques, veuille consulter nos résumés de cours "Tendances périodiques" ou "Tendances périodiques : Tendances générales".
Les anions ont un rayon ionique plus grand par rapport au rayon atomique du même élément. En comparaison, les cations ont un rayon ionique plus petit par rapport au rayon atomique du même élément.
Tu es confus ? Ce n'est pas grave ! L'illustration ci-dessous donne une représentation visuelle des différences de taille radiale.
Fig.2- Rayon des cations comparé au rayon atomique respectif de leur élément.
Fig.3- Rayon des anions comparé au rayon atomique respectif de leur élément.
Les différences de taille des rayons sont dues au fait que lorsque les atomes neutres gagnent des électrons et deviennent des anions, davantage d'électrons occupent les orbitales extérieures, ce qui entraîne une répulsion électronique accrue. Cette augmentation de la répulsion électronique éloigne les électrons les uns des autres, ce qui donne un rayon ionique plus grand.
L'inverse se produit avec les cations, qui résultent de la perte d'électrons. Une répulsion électronique moindre entraîne un rayon ionique plus petit.
En d'autres termes, les cations ont un rayon ionique plus petit, tandis que les anions ont un rayon ionique plus grand par rapport au rayon atomique de leur élément respectif.
Exemples d'ions : Cations et Anions
Avant d'examiner la formation des composés ioniques, nous devons comprendre quels éléments du tableau périodique sont susceptibles de former des cations ou des anions.
- Les gaz nobles sont stables parce qu'ils ont des électrons de valence complets ; ils n'ont donc pas tendance à former des ions.
- Les métaux ont tendance à créer des cations, tandis que les non-métaux ont tendance à créer des anions.
- Les éléments situés à gauche du tableau périodique ont tendance à créer des cations, alors que les éléments situés à droite du tableau périodique ont tendance à créer des anions.
Fig.4- Illustration du tableau périodique avec les charges ioniques représentées. L'illustration ci-dessus montre que :
- La formation de cations \( (+) \) : Les groupes 1, 2, 13 et 14 ont tendance à former des cations en perdant des électrons.
- Formation d'anions \( (-) \) : Les groupes 15, 16 et 17 ont tendance à former des anions en gagnant des électrons.
Le carbone peut gagner ou perdre des électrons en fonction de la situation, mais la formation de carbocations ou de carbanions est généralement difficile à stabiliser.
Cela signifie que le carbone partage généralement ses \( 4 \) électrons de valence avec d'autres molécules par le biais de liaisons covalentes simples, doubles ou triples.
Pour des informations plus détaillées concernant les électrons de valence ou les diagrammes de Lewis, veuille consulter nos résumés de cours "Électrons de valence" ou "Schéma De Lewis ".
Ion polyatomique
Il existe d'autres moyens pour les atomes de s'unir, soit sous forme de complexes ioniques plus importants, soit sous forme de molécules complètes. Les ions polyatomiques sont présents dans certaines des choses les plus utiles avec lesquelles nous travaillons. Alors, c'est quoi un ion polyatomique ?
Continue à lire pour le découvrir !
Qu'est-ce qu'un ion polyatomique ?
Un ion polyatomique est un groupe de deux ou plusieurs atomes liés par covalence (ou un complexe métallique), qui se comporte comme une seule unité et possède une charge nette.
Selon la définition utilisée, le mot "molécule" peut ou non être utilisé pour décrire un ion comportant plus d'un atome. Le préfixe grec poly- signifie "nombreux", mais même les ions ne comportant que deux atomes sont souvent appelés "polyatomiques".
Ces ions agissent essentiellement comme une seule unité, (la plupart du temps) inséparable. Qu'est-ce que tu veux dire par là ? Eh bien, parlons de la dissociation.
Lorsque des composés hydrosolubles sont placés dans l'eau, ils se dissocient (c'est-à-dire qu'ils se séparent). Par exemple, voici la dissociation pour le \( NaCl \) :
$$ NaCl \rightarrow Na^+ + Cl^- $$
Maintenant, qu'en est-il d'un composé contenant un ion polyatomique ? Examinons la dissociation de l'acide sulfurique \( H_2SO_4 \) , qui contient l'ion polyatomique sulfate \( SO_4^{2-} \) .
$$ H_2SO_4 \rightarrow 2H^+ + SO_4^{2-} $$
Comme tu peux l'observer, l'ion sulfate \( SO_4^{2-} \) reste intact, c'est ce que je voulais dire par "inséparable".
Exemples d'ions polyatomiques
Maintenant que nous avons une idée générale de ce qu'est un ion polyatomique, voyons quelques exemples.
Voici le carbonate de calcium \( CaCO_3 \) , qui contient l'ion polyatomique carbonate \( CO_3^{2-} \) :
Fig.5- Carbonate de calcium
Nous pouvons observer ici que le carbonate agit comme une unité avec une charge de \( -2 \) . L'ion calcium \( Ca^{2+} \) est attiré par cette charge et forme une liaison avec les ions polyatomiques.
Les lignes pointillées sur le carbonate montrent que chaque double liaison est en réalité une "liaison \( 1 \frac {1}{3} \) " . Le carbonate a plusieurs formes de résonance, où chaque liaison \( C-O \) peut être une liaison \( C=O \) .
Les ions polyatomiques peuvent former des composés les uns avec les autres, comme le montre ci-dessous le carbonate d'ammonium \( (NH_4)_2CO_3 \) :
Fig.6- Structure du carbonate d'ammonium
Chaque ion ammonium \( NH_4^+ \) a une charge de \( +1 \) , alors que le carbonate, comme nous l'avons observé précédemment, a une charge de \( -2 \) . Chaque ion ammonium se lie à un côté de l'ion carbonate.
Tableau des ions polyatomiques
Le tableau ci-dessous présente quelques ions polyatomiques courants :
| Nom | Formule | Nom | Formule |
| Ammonium | \( NH_4^+ \) | Perchlorate | \( ClO_4^- \) |
| Acétate | \( CH_3COO^- \) | Triiodure | \( I_3^- \) |
| Bicarbonate | \( HCO_3^- \) | Carbonate | \( CO_3^{2-} \) |
| Bisulfate | \( HSO_4^- \) | Chromate | \( CrO_4^{2-} \) |
| Chlorate | \( ClO_3^{2-} \) | Dichromate | \( Cr_2O_7^{2-} \) |
| Cyanure | \( CN^- \) | Peroxyde | \( O_2^{2-} \) |
| Hydroxyde | \( OH^- \) | Sulfate | \( SO_4^{2-} \) |
| Nitrate | \( NO_3^- \) | Sulfite | \( SO_3^{2-} \) |
| Nitrite | \( NO_2^{2-} \) | Phosphate | \( PO_4^{3-} \) |
Tu remarqueras que certains de ces ions, comme le nitrate \( NO_3^- \) et le nitrite \( NO_2^- \) , se ressemblent beaucoup. Ce type d'ion est appelé oxyanion car il contient de l'oxygène et est un anion (ion chargé négativement).
Lorsque nous nommons ces ions, le suffixe est basé sur le nombre d'oxygène :
- Le plus d'oxygène : Per + nom + ate ;
- Plus d'oxygène : nom + ate ;
- Moins d'oxygène : nom + ite ;
- Moins d'oxygène : Hypo + nom + ite ;
Cette convention est basée sur le nombre d'atomes d'oxygène possibles, comme indiqué ci-dessous :
| Per + nom + ate | nom + ate | nom + ite | Hypo + nom + ite |
| Chlor- | Perchlorate \( ClO_4^- \) | Chlorate \( ClO_3^{2-} \) | Chlorite \( ClO_2^- \) | Hypochlorite \( ClO^- \) |
| Sulf- | | Sulfate \( SO_4^{2-} \) | Sulfite \( SO_3^{2-} \) | Hyposulfite \( SO_2^{2-} \) |
| Nitr- | | Nitrate \( NO_3^- \) | Nitrite \( NO_2^- \) | |
| Phos- | | Phosphate \( PO_4^{3-} \) | Phosphite \( PO_3^{3-} \) | |
Ion - Points clés
- Un ion est un atome dont la charge nette est différente de zéro.
- Les ions sont un concept important en chimie car ils décrivent le mouvement des électrons et ont des applications commerciales comme la purification de l'eau.
- Un cation est un type d'ion ayant une charge nette positive \( (+) \) .
- Un anion est un type d'ion avec une charge nette négative \( (-) \) .
- Le rayon ionique est la moitié du diamètre d'un ion par rapport au rayon atomique, qui est la moitié du diamètre d'un atome neutre.
- Enfin, les éléments situés à gauche du tableau périodique ont tendance à produire des cations, alors que les éléments situés à droite du tableau périodique ont tendance à produire des anions.
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