M. VERHILLE — Physique-Chimie · 3ème
Objectifs et competences
Objectifs du chapitre, en lien avec le programme de cycle 4 (BO n° 31 du 30 juillet 2020) :
- Decrire la constitution et les etats de la matiere (ions)
- Identifier des ions en solution par des tests chimiques
Competences du socle :
- D1.3 : Langages scientifiques (notation ionique, charges)
- D4 : Realiser des tests d'identification d'ions
A la fin de ce chapitre, l'eleve sait :
1. Définition
Un ion est une entité chimique qui porte une charge électrique. Pour former un ion monoatomique, un atome gagne ou perd un ou plusieurs électrons, sans changer son noyau. Les ions polyatomiques sont des groupes d’atomes chargés ; leur formation peut faire intervenir d’autres réactions.
Np et Ne sont des nombres de protons et d’électrons. Exemple : 3 protons et 2 électrons donnent une charge +1 en unité élémentaire, notée Li⁺. En coulombs, la charge s’écrirait q = (Np − Ne) × e, où e est la charge élémentaire.
- Pour une entité monoatomique : Np = Ne → atome neutre ; Np ≠ Ne → ion monoatomique.
- Une molécule peut également être neutre ; neutralité ne signifie donc pas toujours atome.
Exemple : ion lithium Li⁺ (⁷₃Li perd 1 électron)
2. Cations (ions positifs) à connaitre
Un cation porte une charge positive : il possède moins d’électrons que de protons. Un cation monoatomique se forme par perte d’électrons par l’atome correspondant.
| Ion | Nom |
|---|---|
| H⁺ | Ion hydrogène |
| Na⁺ | Ion sodium |
| K⁺ | Ion potassium |
| Ca²⁺ | Ion calcium |
| Mg²⁺ | Ion magnésium |
| Cu²⁺ | Ion cuivre II (bleu) |
| Fe²⁺ | Ion fer II (ferreux) |
| Fe³⁺ | Ion fer III (ferrique) |
| NH₄⁺ | Ion ammonium |
| H₃O⁺ | Ion oxonium |
3. Anions (ions négatifs) à connaitre
Un anion porte une charge négative : il possède plus d’électrons que de protons. Un anion monoatomique se forme par gain d’électrons par l’atome correspondant.
| Ion | Nom |
|---|---|
| Cl⁻ | Ion chlorure |
| F⁻ | Ion fluorure |
| HO⁻ | Ion hydroxyde |
| NO₃⁻ | Ion nitrate |
| SO₄²⁻ | Ion sulfate |
| HCO₃⁻ | Ion hydrogénocarbonate |
| CO₃²⁻ | Ion carbonate |
4. Neutralité d'un solide ionique
Un solide ionique est électriquement neutre → somme des charges = 0.
| Solide | Formule | Raisonnement |
|---|---|---|
| Chlorure de potassium | KCl | 1×(+1) + 1×(−1) = 0 |
| Chlorure de calcium | CaCl₂ | 1×(+2) + 2×(−1) = 0 |
| Sulfate de sodium | Na₂SO₄ | 2×(+1) + 1×(−2) = 0 |
| Nitrate de magnésium | Mg(NO₃)₂ | 1×(+2) + 2×(−1) = 0 |
5. Tests d'identification des ions
| Ion | Réactif | Observation |
|---|---|---|
| Cu²⁺ | Soude (OH⁻) | Précipité 🔵 bleu |
| Fe²⁺ | Soude (OH⁻) | Précipité 🟢 vert |
| Fe³⁺ | Soude (OH⁻) | Précipité 🟠 rouille |
| Zn²⁺ | Soude (OH⁻) | Précipité ⚪ blanc |
| Cl⁻ | Nitrate d'argent | ⚪ blanc → noircit à la lumière |
6. TP Conductivité des solutions ioniques
Une question pour le laboratoire : on ne réalise jamais de test pendant un orage ni dans la mer.
- Eau très pure → très peu conductrice dans les conditions du TP : elle contient une très faible quantité d’ions issus notamment de son auto-ionisation
- Eau salée (NaCl) → conductrice (Na⁺ + Cl⁻ en solution = porteurs de charge)
TP encadré : comparer eau très pure et eau salée avec une cellule de conductivité, un ampèremètre et une alimentation de laboratoire en très basse tension. Utiliser le même montage et les mêmes réglages ; ne jamais utiliser le secteur.
Bilan — Ce qu'il faut retenir
| Notion | Definition | Formule |
|---|---|---|
| Ion | Entité portant une charge électrique ; l’ion monoatomique résulte d’un gain ou d’une perte d’électrons | Charge en unités élémentaires = Np − Ne |
| Cation | Ion de charge positive ; pour un ion monoatomique, formation par perte d’électrons (ex : Na⁺, Cu²⁺, Fe³⁺) | — |
| Anion | Ion de charge négative ; pour un ion monoatomique, formation par gain d’électrons (ex : Cl⁻, HO⁻, SO₄²⁻) | — |
| Solide ionique | Assemblage d'ions positifs et negatifs, electriquement neutre (somme des charges = 0) | — |
| Tests d'identification | Ajout de soude (NaOH) ou de nitrate d'argent pour former un precipite colore caracteristique | — |
| Conductivite ionique | Une solution contenant des ions libres conduit le courant electrique ; l’eau très pure est très peu conductrice | — |
Erreurs frequentes a eviter
- Confondre cation et anion : un cation est un ion positif (il a perdu des electrons), un anion est un ion negatif (il a gagne des electrons). Moyen mnemotechnique : le "+" de cation ressemble au "t" de cation.
- Croire qu'un ion se forme par gain ou perte de protons : pour un ion monoatomique, on compte les électrons gagnés ou perdus par l’atome correspondant. Le nombre de protons ne change jamais (sinon on change d'element chimique).
- Confondre atome neutre et ion : un atome est electriquement neutre (protons = electrons). Un ion porte une charge car le nombre d'electrons est different du nombre de protons.
Differenciation
- Remediation : Completer un tableau avec les colonnes "Atome → nombre d'electrons gagnes/perdus → Ion forme → Charge" pour 5 exemples simples (Na, Cl, Ca, Fe, O).
- Approfondissement : Ecrire la formule ionique de 5 solides ioniques (ex : Al₂O₃, FeCl₃) en verifiant la neutralite electrique, puis proposer leur nom.
Vidéo
🎬 Mathrix "Les Ions" : https://www.youtube.com/watch?v=B0O5eJcwcBg
Référence : programme de physique-chimie du cycle 4 et ressources ministérielles. Les objectifs et approfondissements de ce chapitre constituent une progression du professeur.
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