Ions : Anions et Cations

Définition des ions, des cations et des anions

Commençons par examiner la définition des cations et des anions.

Comme indiqué 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 effet, au cours d'un processus connu sous le nom d'électrolyse, les cations sont attirés par la cathode chargée négativement, tandis que les anions sont attirés par l'anode chargée positivement.

Différences entre les ions cation et anion

La différence entre les cations et les anions provient de leur charge différente.

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Figure 1 : Illustration de cations et d'anions se formant à partir d'un atome neutre suite à la perte et au gain d'électrons, respectivement. Daniela Lin, StudySmarter Originals

C'est à cause de ces différences de charge que les cations et les anions se comportent différemment dans des processus tels que l'électrolyse.

En chimie, on écrit les cations avec le signe + et les anions avec le signe -. Le symbole numérique inscrit à côté des charges indique le nombre d'électrons que l'atome a respectivement perdus ou gagnés.

Figure 2 : Les métaux perdent des électrons tandis que les non-métaux en gagnent. Daniela Lin, StudySmarter Originals.

Dans le cas de ^Na+ et ^Cl-, la réaction ionique se traduit par la perte d'un électron par Na+ et le gain d'un électron par Cl-. L'illustration ci-dessus sera développée plus loin avec les diagrammes de Lewis, mais pour l'instant, il est important de comprendre la convention associée à la façon dont nous écrivons les ions.

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 d'examiner les rayons ioniques.

Rappelle que le rayon atomique correspond à 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.

Les anions ont un rayon ionique plus grand que le 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.

Figure 3 : Rayon des cations et des anions comparé au rayon atomique respectif de leur élément. Daniela Lin, StudySmarter Originals.

Les différences de taille entre les rayons s'expliquent par le fait que lorsque les atomes neutres gagnent des électrons et deviennent des anions, davantage d'électrons occupent les orbitales externes, ce qui entraîne une répulsion accrue des électrons. Cette augmentation de la répulsion électronique éloigne les électrons les uns des autres, ce qui se traduit par 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 respectif de leur élément.

Résine échangeuse d'ions cations et anions

Plus haut dans l'article, nous avons mentionné que certaines substances peuvent servir de support à l'échange d'ions.

L'une de ces substances est la résine. La résine est une substance très visqueuse, souvent fabriquée à partir de plantes. Elle est insoluble et contient des microbilles suffisamment poreuses pour piéger des ions spécifiques, en fonction de leur charge, ce qui facilite le processus connu sous le nom d'échange d'ions.

Les résines échangeuses de cations sont composées de groupes sulfonates chargés négativement. Quant aux résines échangeuses d'anions, elles contiennent des surfaces d'amines chargées positivement.

Figure 4 : Illustration d'un échangeur d'ions. Daniela Lin, StudySmarter Originals

Le processus d'adoucissement de l'eau, par échange d'ions, est illustré ci-dessus. Cet échange de cations particulier consiste à échanger du magnésium et du calcium contre des ions sodium. Il existe de nombreux autres types d'échange d'ions et également de nombreuses autres applications de la chromatographie par échange d'ions en chimie organique et en biochimie. Nous ne les aborderons pas en détail ici, mais toutes ces techniques chimiques avancées sont basées sur l'application simple de l'échange d'ions décrite ci-dessus.

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 rares 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 former des cations, alors que les éléments situés à droite du tableau périodique ont tendance à créer des anions.

Figure 5 : Illustration du tableau périodique avec les charges ioniques représentées. Daniela Lin, StudySmarter Originals.

L'image ci-dessus montre que :

• 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.

Maintenant que nous avons appris quels éléments ont tendance à créer des cations et quels éléments ont tendance à créer des anions. L'étape suivante consiste à examiner comment se forment les composés ioniques. Pour ce faire, nous utiliserons les diagrammes de Lewis.

Les illustrations simplifiées des électrons de valence d'une molécule sont connues sous le nom de diagrammes de Lewis. Nous pouvons également utiliser les diagrammes de Lewis pour montrer le transfert d'électrons dans les composés ioniques, et c'est précisément ce que nous allons faire maintenant.

Nous utiliserons les mêmes ions que ceux illustrés dans notre graphique d'écriture des ions ci-dessus.

Figure 6 : Exemples de transfert d'ions dans une réaction de composé ionique produisant du chlorure de sodium et de l'oxyde de magnésium. Daniela Lin, StudySmarter Originals

Maintenant que nous avons examiné quelques exemples de cations et d'anions dans le cadre d'une réaction de composé ionique, nous devrions être en mesure d'identifier les ions, les cations et les anions. Nous devrions être capables d'identifier les ions, les cations et les anions. Nous devrions également être en mesure de comprendre quels ions gagnent ou perdent des électrons. Enfin, nous devrions comprendre les résines d'échange et les tendances des rayons ioniques.