Physique-Chimie · 3ᵉ

L’eau salée : un cosmos d’ions

Physique-Chimie 3ᵉ Atomes, molécules et ions

Plonge deux fils électriques dans l’eau pure : presque rien ne passe. Ajoute une pincée de sel… et la lampe s’allume ! Le sel a rempli l’eau de voyageurs invisibles et chargés : des ions.

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L'essentiel

Certains ions reviennent souvent et il faut connaître leur formule. Des ions positifs (cations) : l'ion hydrogène H⁺, l'ion sodium Na⁺, l'ion cuivre Cu²⁺, les ions fer Fe²⁺ et Fe³⁺, l'ion zinc Zn²⁺, l'ion aluminium Al³⁺. Des ions négatifs (anions) : l'ion chlorure Cl⁻, l'ion hydroxyde OH⁻, l'ion sulfate SO₄²⁻.

Le petit signe en haut (+, −, 2+, 2−…) indique la charge, donc combien d'électrons ont été perdus ou gagnés. Dans l'eau salée, on trouve des ions sodium Na⁺ et des ions chlorure Cl⁻.

L'idée à retenir

Les ions courants ont des formules à connaître : cations H⁺, Na⁺, K⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺ (électrons perdus) et anions Cl⁻, OH⁻, SO₄²⁻ (électrons gagnés) — la charge en exposant compte les électrons échangés. En solution, cations et anions coexistent : l’eau salée contient autant de Na⁺ que de Cl⁻, elle reste donc électriquement NEUTRE… et, comme ces ions sont chargés et mobiles, elle conduit le courant électrique.

Comprendre

Au collège, on apprend à reconnaître et à écrire quelques ions courants. Les cations (chargés positivement, formés en perdant des électrons) les plus fréquents sont : l'ion hydrogène H⁺, l'ion sodium Na⁺, l'ion potassium K⁺, l'ion zinc Zn²⁺, l'ion cuivre Cu²⁺, les ions fer Fe²⁺ et Fe³⁺, l'ion aluminium Al³⁺. Les anions (chargés négativement, formés en gagnant des électrons) courants sont : l'ion chlorure Cl⁻, l'ion hydroxyde OH⁻ et l'ion sulfate SO₄²⁻.

La charge, écrite en exposant, se lit directement : un « + » ou « − » seul correspond à 1 électron échangé, un « 2+ » à 2 électrons perdus, un « 3+ » à 3 électrons perdus, un « 2− » à 2 électrons gagnés. Ainsi Cu²⁺ a perdu 2 électrons, Al³⁺ en a perdu 3, Cl⁻ en a gagné 1. Certains ions sont des groupes d'atomes portant une charge d'ensemble : l'ion hydroxyde OH⁻ (un atome d'oxygène et un d'hydrogène) et l'ion sulfate SO₄²⁻ (un atome de soufre et quatre d'oxygène) sont des ions polyatomiques. Les ions se rencontrent surtout en solution : quand on dissout du sel dans l'eau, on obtient des ions sodium Na⁺ et des ions chlorure Cl⁻ qui se dispersent dans l'eau.

La solution contient autant de charges positives que de charges négatives : elle reste donc globalement neutre. Comme ces ions sont chargés et mobiles, ils permettent à la solution de conduire le courant électrique, alors que l'eau pure le conduit très mal. On peut ajouter que l'ion hydrogène H⁺ est présent dans les solutions acides et l'ion hydroxyde OH⁻ dans les solutions basiques, mais l'étude du pH et des solutions acides ou basiques sera menée dans un autre chapitre.

Le cours

Quelques ions reviennent constamment en chimie du collège ; il faut savoir écrire leur formule et lire leur charge. Parmi les cations (chargés positivement, obtenus en perdant des électrons) : l'ion hydrogène H⁺, l'ion sodium Na⁺, l'ion potassium K⁺, l'ion zinc Zn²⁺, l'ion cuivre Cu²⁺, les ions fer Fe²⁺ et Fe³⁺, l'ion aluminium Al³⁺. Parmi les anions (chargés négativement, obtenus en gagnant des électrons) : l'ion chlorure Cl⁻, l'ion hydroxyde OH⁻, l'ion sulfate SO₄²⁻.

La charge écrite en exposant indique le nombre d'électrons échangés : Cu²⁺ a perdu 2 électrons, Al³⁺ en a perdu 3, Cl⁻ en a gagné 1. Certains de ces ions sont des groupes d'atomes portant une charge d'ensemble : l'ion hydroxyde OH⁻ et l'ion sulfate SO₄²⁻ sont des ions polyatomiques. Les ions apparaissent surtout en solution. Lorsqu'on dissout du sel (chlorure de sodium) dans l'eau, il se sépare en ions sodium Na⁺ et ions chlorure Cl⁻ qui se dispersent dans l'eau.

La solution comporte autant de charges positives que de charges négatives : elle reste globalement neutre. Parce qu'ils sont chargés et libres de se déplacer, ces ions permettent à la solution de conduire le courant électrique, alors que l'eau pure est très peu conductrice. Enfin, on peut identifier la présence de certains ions grâce à des tests chimiques ; l'ion hydrogène H⁺ caractérise les solutions acides et l'ion hydroxyde OH⁻ les solutions basiques, ce qui sera approfondi dans le chapitre sur les acides et les bases.

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Les erreurs fréquentes

L'ion cuivre Cu²⁺ a gagné 2 électrons, puisqu'il porte un « 2 ».
Le « 2+ » indique une charge positive : Cu²⁺ a PERDU 2 électrons. Seule une charge négative (comme Cl⁻ ou SO₄²⁻) correspond à des électrons gagnés.
Une solution d'eau salée est chargée électriquement puisqu'elle contient des ions.
La solution contient autant de charges positives (Na⁺) que de charges négatives (Cl⁻) : globalement, elle reste électriquement neutre. Ce sont ces ions mobiles qui lui permettent de conduire le courant.

Tu maîtrises la notion si…

  • Donner la formule de quelques ions courants (H⁺, Na⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Cl⁻, OH⁻, SO₄²⁻).
  • Lire la charge d'un ion et la relier au nombre d'électrons perdus (cation) ou gagnés (anion).
  • Savoir qu'une solution comme l'eau salée contient des ions (Na⁺ et Cl⁻), reste globalement neutre et conduit le courant électrique.

Vérifie que tu as compris

  1. Un atome de cuivre perd 2 électrons et devient un ion. Quelle est la formule de cet ion ?

    Réponse Cu²⁺

    En perdant 2 électrons (deux charges négatives), l'atome de cuivre devient un ion qui porte 2 charges positives en excès : le cation Cu²⁺, ion cuivre (II). Le noyau, 29 protons, ne change pas.

  2. Pourquoi l'eau salée conduit-elle le courant électrique ?

    Réponse Elle contient des ions Na⁺ et Cl⁻ mobiles

    Le sel dissous libère des ions sodium Na⁺ et chlorure Cl⁻ ; ces ions chargés, libres de se déplacer, transportent le courant. La solution reste globalement neutre (autant de + que de −).

  3. Quelle est la formule de l'ion sodium, présent dans le sel de table ?

    Réponse Na⁺

    L'atome de sodium perd 1 électron : il devient le cation Na⁺, de charge +1. Na⁻ (négatif) et Na²⁺ (charge 2) sont faux, et « S » est le symbole du soufre, pas du sodium.

S'entraîner sur cette notion

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Les quatre étapes pour maîtriser cette notion

Reconnaître

L’ion chlorure s’écrit Cl⁻ : un anion, un électron gagné.

Regarde la légende de droite : l’ion chlorure porte le signe − en exposant (il a gagné 1 électron). Cl⁺ n’existe pas ici, Cl₂ est une molécule (2 atomes liés, pas un ion) et Cu²⁺ est l’ion cuivre.

Comprendre

L’exposant se lit : + = électrons perdus, − = gagnés.

Applique la lecture travaillée en bas de la galerie : Cu²⁺ a une charge 2+ → l’atome de cuivre a PERDU 2 électrons, c’est un cation. Cl⁻ a une charge − → l’atome de chlore a GAGNÉ 1 électron, c’est un anion.

Appliquer

Symbole d’abord, charge en exposant ensuite.

Ion sodium : Na⁺ (1 électron perdu). Ion hydroxyde : OH⁻ — attention, c’est un GROUPE d’atomes (O et H liés) qui porte la charge en entier. Ion fer III : Fe³⁺ (3 électrons perdus — le « III » du nom annonce la charge 3+).

Transférer

Des ions chargés et MOBILES transportent le courant.

Deux idées à relier : ① le sel dissous libère des ions Na⁺ et Cl⁻ chargés et libres de se déplacer — ils transportent le courant (regarde-les migrer, chacun vers une électrode), donc la lampe s’allume ; l’eau pure, presque sans ions, conduit très mal. ② La solution reste pourtant neutre : elle contient autant de charges + (Na⁺) que de charges − (Cl⁻).

Au brevet, cette notion tombe dans ces sujets

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