Les ions monoatomiques

Cours de chimie niveau seconde – Constitution et transformations de la matière – Partie 1: de l’échelle macroscopique à l’échelle microscopique – B) Modélisation de la matière à l’échelle microscopique – Vers des entités plus stables chimiquement.

  1. Qu’est ce qu’un ion monoatomique ?
  2. Cations et anions
  3. Formule chimique
  4. Nombre d’électrons d’un ion monoatomique
  5. Formation
  6. Configuration électronique d’un ion monoatomique
  7. Prévoir l’ion monoatomique formé par un atome

Qu’est ce qu’un ion monoatomique ?

Définition

Une entité chimique est un ion monoatomique si elle est composée d’un noyau atomique unique dont la charge n’est pas compensée par le nuage électronique qui l’accompagne.

Cette condition est respectée si le nombre protons du noyau (portant chacun une charge élémentaire positive) est différent du nombre d’électrons (portant chacun une charge élémentaire négative)

Cations et anions

On distingue deux sortes d’ions:

  • les cations sont des ions globalement positifs, ils présentent donc un défaut d’électrons (ils ont moins d’électrons, négatifs, que de protons positifs)
  • les anions sont des ions globalement négatifs, ils présentent donc un excès d’électrons (ils ont davantage d’électrons que de protons)

Formule chimique

La formule chimique d’un ion monoatomique est constitué:

  • d’un symbole atomique
  • d’un exposant

L’exposant permet de différencier rapidement un atome d’un ion, il correspond aux nombre et au signe des charges élémentaires en excès, il comporte toujours un signe:

  • positif (+) pour les cations, lorsque le nombre d’électrons (négatifs) est inférieur au nombre de protons (positifs). 
  • négatif (-) pour les anions, quand le nombre d’électrons dépasse celui de protons.

Ce signe est précédé du nombre de charges élémentaires excédentaires et correspond à la différence entre le nombre de protons et d’électrons.

Remarque

Si l’ion ne comporte qu’une seule charge excédentaire (positive ou négative) son nombre (1) n’est pas noté. L’exposant est alors uniquement un signe + ou -.

Exemple

L’ion magnésium a comme numéro atomique Z=12 donc son noyau comporte 12 protons soit 12 charges élémentaires positives. Par contre il ne possède que 10 électrons qui portent un totale de 10 charges élémentaires négatives.
L’ion magnésium a donc 2 charges positives en excès donc:

  • C’est un cation
  • l’exposant de sa formule est 2+

La formule chimique de l’ion magnésium est donc Mg2+

Nombre d’électrons d’un ion

Un ion monoatomique est constitué d’un noyau autour duquel tournent des électrons, dont le nombre peut être déterminé à partir de sa formule chimique:

  • le symbole atomique permet trouver son numéro atomique Z (grâce au tableau périodique) qui correspond au nombre de protons dans le noyau ainsi qu’au nombre d’électrons de la forme atomique.
  • l’exposant permet de déterminer le nombre n d’électrons en excès ou en défaut. En retranchant le nombre d’électrons en excès ou en ajoutant le nombre d’électrons en défaut au numéro atomique on obtient le nombre d’électrons de l’ion.

Exemple

L’ion ferrique a pour formule Fe3+. Le symbole Fe est celui de l’élément fer de numéro atomique Z=26 donc l’atome de fer possède 26 électrons.
L’exposant 3+ indique que l’ion a un défaut de 3 électrons par conséquent son nombre total d’électrons est 26-3=23

Remarque

Pour un élément appartenant à l’une des trois premières périodes du tableau périodique il est possible de trouver le nombre d’électrons de la forme ionique en utilisant les règles de stabilité. (règles du duet et de l’octet)

Formation

Un cation peut se former à partir d’un atome perdant un ou plusieurs électrons. Le processus permettant de libérer un électron de l’influence de son noyau nécessite un apport d’énergie suffisant qui peut se faire:

Un anion peut quant à lui se former en captant un ou plusieurs électrons libérés par un autre atome.

Configuration électronique d’un ion monoatomique

La configuration électronique d’un ion s’écrit suivant les même règles que pour un atome c’est à dire en disposant les électrons en priorité sur les couches électroniques les plus basses.

Au lieu d’écrire entièrement la configuration électronique d’un ion il est aussi possible de la déduire de celle de sa forme atomique. Il suffit d’ajouter les électrons en excès ou de retirer ceux en défaut de la couche de valence (la plus haute couche occupée par des électrons) afin de passer de configuration électronique de l’atome à celle de l’ion.

Exemple

L’atome d’aluminium a pour numéro atomique Z=13 sa configuration électronique est donc 1s22s22p63s23p1
L’ion aluminium de formule Al3+ présente un défaut de 3 électrons, pour obtenir sa structure électronique il suffit donc de retirer les 3 électrons de la couche valence (la couche n°3) qui se vide alors entièrement, ce qui donne 1s22s22p6

Prévoir l’ion monoatomique formé par un atome



Pour tout les éléments on peut envisager l’existence de multiples formes ioniques différentes (présentant un défaut ou un excès de 1 à 4 électrons) cependant, parmi ces différentes possibilités seules certaines (le plus souvent une seule) formes sont stables et existent donc réellement. Pour les éléments des trois premières lignes du tableau périodique il est possible de prévoir la configuration électronique des ions stables en utilisant les règles du duet et l’octet selon lesquelles un atome, lorsqu’il se transforme en ion cherche à acquérir la même configuration électronique (en duet ou en octet) que le gaz noble dont il est le plus proche.