Physique-Chimie — 3ème
Atomes, molécules et ions — Physique-Chimie Troisième (chapitre 3)
Constitution de la matière en troisième : structure de l'atome, noyau, protons, neutrons et électrons, symboles des éléments et classification périodique,…
Par ProfBot
Atomes, molécules et ions
Chapitre 3 — Organisation et transformations de la matière · Classe de troisième
Depuis la cinquième, la matière est décrite par des particules ; depuis la quatrième, on sait que ces particules sont des molécules, faites d'atomes. La troisième ajoute la dernière pièce, et c'est celle qui ouvre tout le reste du programme : les ions. Sans eux, impossible d'expliquer pourquoi une eau salée conduit le courant, pourquoi un détartrant attaque le calcaire, pourquoi le pH existe. Les chapitres 4, 5 et 6 reposent entièrement sur ce chapitre-ci.
Au programme officiel. Notions de molécules, atomes, ions. Décrire la constitution et les états de la matière. (Programme de physique-chimie du cycle 4, BO n° 31 du 30 juillet 2020. La ressource Eduscol « Inscrire son enseignement dans une logique de cycle » précise que « la formation de l'ion n'est pas à expliciter dans les classes antérieures » : c'est bien un attendu de troisième.)
1. L'atome et ses constituants
Toute la matière — le fer, l'air, l'eau, vous — est faite d'atomes.
Définition. Un atome est constitué d'un noyau central, autour duquel se déplacent des électrons. Le noyau lui-même est fait de protons et de neutrons, appelés ensemble les nucléons.
Le schéma ment sur un point, et c'est inévitable : le noyau y est dessiné cent mille fois trop gros. Un atome mesure environ $10^{-10}\ \mathrm{m}$, son noyau environ $10^{-15}\ \mathrm{m}$. Si le noyau était une bille de $1\ \mathrm{cm}$ posée au centre d'un stade, les électrons se promèneraient à $500\ \mathrm{m}$ de là. Entre les deux, il n'y a rien : la matière est essentiellement du vide.
Les trois particules diffèrent par leur charge électrique :
| Particule | Où ? | Charge électrique |
|---|---|---|
| Proton | dans le noyau | positive, $+e$ |
| Neutron | dans le noyau | nulle |
| Électron | autour du noyau | négative, $-e$ |
La charge $e$ est la charge élémentaire : c'est la plus petite charge qu'on puisse isoler, et un proton et un électron portent exactement la même, au signe près.
Un atome est électriquement neutre. Il contient autant d'électrons que de protons. Un atome de sodium a 11 protons et 11 électrons ; les 11 charges positives et les 11 charges négatives se compensent exactement, et la charge totale est nulle.
La masse est dans le noyau. Un électron est environ 1 800 fois plus léger qu'un proton. La masse d'un atome est donc, à un millième près, celle de son noyau — bien qu'il occupe une part infime du volume.
2. Les symboles des éléments et la classification périodique
Chaque type d'atome porte un nom et un symbole : une lettre majuscule, parfois suivie d'une minuscule.
| Symbole | Nom | Symbole | Nom | |
|---|---|---|---|---|
| $\mathrm{H}$ | hydrogène | $\mathrm{Na}$ | sodium | |
| $\mathrm{C}$ | carbone | $\mathrm{Mg}$ | magnésium | |
| $\mathrm{N}$ | azote | $\mathrm{Al}$ | aluminium | |
| $\mathrm{O}$ | oxygène | $\mathrm{S}$ | soufre | |
| $\mathrm{He}$ | hélium | $\mathrm{Cl}$ | chlore | |
| $\mathrm{Fe}$ | fer | $\mathrm{Cu}$ | cuivre | |
| $\mathrm{Zn}$ | zinc | $\mathrm{Ag}$ | argent |
Attention à la casse. $\mathrm{Co}$ (cobalt) et $\mathrm{CO}$ (monoxyde de carbone, une molécule faite d'un carbone et d'un oxygène) ne sont pas la même chose. La deuxième lettre d'un symbole est toujours en minuscule.
Les atomes se distinguent par leur numéro atomique $Z$, c'est-à-dire leur nombre de protons. C'est lui qui définit l'élément : tout atome à 6 protons est un atome de carbone, et réciproquement.
La classification périodique range les éléments par numéro atomique croissant. Le numéro est écrit dans le coin de chaque case. La dernière colonne, en orange, réunit les gaz nobles ($\mathrm{He}$, $\mathrm{Ne}$, $\mathrm{Ar}$) : ces atomes-là ne forment presque jamais ni molécule ni ion — ils sont déjà stables tels quels.
3. Les molécules
Définition. Une molécule est un groupe d'atomes liés entre eux. Elle est électriquement neutre.
Sa formule chimique dit quels atomes la composent et combien de chacun : le nombre s'écrit en indice, en bas à droite du symbole, et on ne l'écrit pas quand il vaut 1.
Chaque boule représente un atome, chaque trait une liaison. Les proportions et les angles sont schématiques ; ce qui compte, c'est la composition. Attention : ces modèles ne disent rien de la taille réelle des atomes.
| Nom | Formule | Composition |
|---|---|---|
| Dihydrogène | $\mathrm{H_2}$ | 2 atomes d'hydrogène |
| Dioxygène | $\mathrm{O_2}$ | 2 atomes d'oxygène |
| Diazote | $\mathrm{N_2}$ | 2 atomes d'azote |
| Eau | $\mathrm{H_2O}$ | 2 atomes d'hydrogène et 1 d'oxygène, soit 3 atomes |
| Dioxyde de carbone | $\mathrm{CO_2}$ | 1 atome de carbone et 2 d'oxygène, soit 3 atomes |
| Méthane | $\mathrm{CH_4}$ | 1 atome de carbone et 4 d'hydrogène, soit 5 atomes |
| Éthanol | $\mathrm{C_2H_6O}$ | 2 carbones, 6 hydrogènes, 1 oxygène, soit 9 atomes |
Lire un coefficient et un indice. Dans $3\,\mathrm{H_2O}$, le 3 écrit devant (le coefficient) compte les molécules ; l'indice 2 compte les atomes d'hydrogène dans une molécule. Il y a donc $3 \times 2 = 6$ atomes d'hydrogène et $3 \times 1 = 3$ atomes d'oxygène, soit 9 atomes en tout. Cette lecture servira à chaque équation de réaction du chapitre 5.
4. Les ions : des atomes qui ont gagné ou perdu des électrons
Un atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons. Son noyau, lui, ne change pas — ce sont les électrons, qui sont à la périphérie, qui partent ou arrivent. L'édifice n'est alors plus neutre : c'est un ion.
Définition. Un ion est un atome (ou un groupe d'atomes) qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Il porte donc une charge électrique, indiquée en exposant.
— Un ion qui a perdu des électrons est positif : on l'appelle un cation.
— Un ion qui a gagné des électrons est négatif : on l'appelle un anion.
L'atome de sodium a 11 protons et 11 électrons. En perdant un électron, il n'a plus que 10 électrons pour 11 protons : il lui reste une charge positive en trop, c'est l'ion $\mathrm{Na^{+}}$. L'atome de chlore, lui, gagne un électron : 18 électrons pour 17 protons, d'où une charge négative, c'est l'ion $\mathrm{Cl^{-}}$. Le nombre de protons ne change jamais : $\mathrm{Na^{+}}$ est toujours du sodium.
Comment lire la charge. Le signe $+$ ou $-$ s'écrit en exposant, précédé du nombre de charges s'il y en a plusieurs : $\mathrm{Cu^{2+}}$ se lit « ion cuivre deux plus » et signifie que l'atome de cuivre a perdu deux électrons.
Les ions à connaître en troisième :
| Ion | Nom | Formé à partir de |
|---|---|---|
| $\mathrm{H^{+}}$ | ion hydrogène | l'atome d'hydrogène, moins 1 électron |
| $\mathrm{Na^{+}}$ | ion sodium | l'atome de sodium, moins 1 électron |
| $\mathrm{Cu^{2+}}$ | ion cuivre | l'atome de cuivre, moins 2 électrons |
| $\mathrm{Fe^{2+}}$ | ion fer II | l'atome de fer, moins 2 électrons |
| $\mathrm{Fe^{3+}}$ | ion fer III | l'atome de fer, moins 3 électrons |
| $\mathrm{Zn^{2+}}$ | ion zinc | l'atome de zinc, moins 2 électrons |
| $\mathrm{Al^{3+}}$ | ion aluminium | l'atome d'aluminium, moins 3 électrons |
| $\mathrm{Cl^{-}}$ | ion chlorure | l'atome de chlore, plus 1 électron |
| $\mathrm{OH^{-}}$ | ion hydroxyde | un groupe $\mathrm{O}$–$\mathrm{H}$, plus 1 électron |
Les sept premiers sont des ions monoatomiques : ils viennent d'un seul atome. L'ion hydroxyde $\mathrm{OH^{-}}$, lui, est polyatomique : c'est un groupe de deux atomes qui porte une charge d'ensemble.
Deux ions, un même élément. Le fer donne $\mathrm{Fe^{2+}}$ ou $\mathrm{Fe^{3+}}$ selon la réaction. C'est pour cela qu'on précise « fer II » ou « fer III » : le nom seul ne suffirait pas.
Compter les électrons d'un ion. Le noyau garde ses $Z$ protons ; on part de $Z$ électrons et on retire (ou ajoute) autant d'électrons que la charge l'indique.
Exemple. L'atome de cuivre a $Z = 29$. L'ion $\mathrm{Cu^{2+}}$ a donc $29$ protons et $29 - 2 = 27$ électrons.
5. La matière reste électriquement neutre
Les ions existent bien réellement, mais jamais tout seuls : dans un échantillon de matière, les charges positives et négatives se compensent toujours exactement.
Quand on dissout du sel dans l'eau, on obtient une solution qui contient des ions $\mathrm{Na^{+}}$ et des ions $\mathrm{Cl^{-}}$ en nombres égaux. La solution, dans son ensemble, reste électriquement neutre — sinon elle vous électriserait au doigt. C'est ce principe qui impose les formules : dans le chlorure de cuivre, l'ion $\mathrm{Cu^{2+}}$ porte deux charges positives, il faut donc deux ions $\mathrm{Cl^{-}}$ pour l'équilibrer.
Règle d'écriture d'une solution ionique. On nomme la solution en citant d'abord l'anion, puis le cation : une solution de chlorure de cuivre contient des ions $\mathrm{Cu^{2+}}$ et $\mathrm{Cl^{-}}$ ; une solution de sulfate de fer contient des ions $\mathrm{Fe^{2+}}$ et des ions sulfate.
Ces ions en solution sont ce qui rend l'eau salée conductrice du courant électrique : les ions, chargés, se déplacent sous l'effet de la tension, alors que l'eau pure, faite de molécules neutres, conduit très mal. On s'en servira au chapitre 13.
6. Reconnaître ce qu'on a sous les yeux
Trois questions suffisent à classer n'importe quelle formule.
- Y a-t-il une charge en exposant ? Si oui, c'est un ion. Sinon, c'est un atome ou une molécule.
- Combien de symboles différents ? Un seul symbole sans indice : un atome ($\mathrm{Fe}$, $\mathrm{Cu}$). Sinon, une molécule ($\mathrm{H_2}$, $\mathrm{CO_2}$).
- Un seul atome dans l'ion, ou plusieurs ? $\mathrm{Cl^{-}}$ est monoatomique, $\mathrm{OH^{-}}$ est polyatomique.
| Formule | C'est… | Pourquoi |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | un atome | un symbole seul, pas de charge |
| $\mathrm{O_2}$ | une molécule | deux atomes liés, pas de charge |
| $\mathrm{Fe^{3+}}$ | un ion monoatomique | un symbole, une charge |
| $\mathrm{OH^{-}}$ | un ion polyatomique | deux atomes, une charge d'ensemble |
| $\mathrm{H_2O}$ | une molécule | trois atomes, pas de charge |
7. Exercices corrigés
Exercice 1 — Compter les atomes. Donner le nombre total d'atomes dans : (a) $\mathrm{H_2O}$ ; (b) $\mathrm{CH_4}$ ; (c) $\mathrm{C_2H_6O}$ ; (d) $2\,\mathrm{CO_2}$.
(a) $2 + 1 = 3$ atomes. (b) $1 + 4 = 5$ atomes. (c) $2 + 6 + 1 = 9$ atomes.
(d) Une molécule $\mathrm{CO_2}$ compte 3 atomes ; deux molécules en comptent $2 \times 3 = 6$.
Exercice 2 — Un atome neutre. L'atome d'aluminium possède 13 protons. Combien a-t-il d'électrons ? Quelle est sa charge totale ?
Un atome est neutre : il a autant d'électrons que de protons, donc 13 électrons. Sa charge totale est nulle, puisque $13 \times (+e) + 13 \times (-e) = 0$.
Exercice 3 — Former un ion. L'atome d'aluminium perd 3 électrons. Écrire la formule de l'ion obtenu et donner son nombre de protons et d'électrons.
Il perd 3 charges négatives, il devient donc positif à hauteur de 3 charges : c'est l'ion $\mathrm{Al^{3+}}$. Il a toujours 13 protons (le noyau n'a pas changé) et $13 - 3 = $ 10 électrons.
Exercice 4 — Remonter à l'atome. Un ion possède 17 protons et 18 électrons. De quel ion s'agit-il ?
Il a un électron de plus que de protons : sa charge est $-e$. Comme $Z = 17$ correspond au chlore, c'est l'ion chlorure $\mathrm{Cl^{-}}$.
Exercice 5 — Cuivre et zinc. L'atome de cuivre a $Z = 29$, l'atome de zinc $Z = 30$. Combien d'électrons possèdent les ions $\mathrm{Cu^{2+}}$ et $\mathrm{Zn^{2+}}$ ?
$\mathrm{Cu^{2+}}$ : $29 - 2 = 27$ électrons. $\mathrm{Zn^{2+}}$ : $30 - 2 = 28$ électrons. Dans les deux cas le nombre de protons est inchangé (29 et 30).
Exercice 6 — Neutralité d'une solution. Une solution contient $2000$ ions $\mathrm{Cu^{2+}}$. Combien contient-elle d'ions $\mathrm{Cl^{-}}$, sachant qu'elle est électriquement neutre ?
Chaque ion $\mathrm{Cu^{2+}}$ apporte 2 charges positives, soit $2000 \times 2 = 4000$ charges positives. Il faut donc 4000 ions $\mathrm{Cl^{-}}$, puisque chacun n'apporte qu'une charge négative.
Exercice 7 — Trier des formules. Classer en atome, molécule, ion monoatomique ou ion polyatomique : $\mathrm{Zn}$ ; $\mathrm{N_2}$ ; $\mathrm{Na^{+}}$ ; $\mathrm{OH^{-}}$ ; $\mathrm{CH_4}$ ; $\mathrm{Fe^{2+}}$.
Atomes : $\mathrm{Zn}$. Molécules : $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{CH_4}$. Ions monoatomiques : $\mathrm{Na^{+}}$, $\mathrm{Fe^{2+}}$. Ion polyatomique : $\mathrm{OH^{-}}$.
L'essentiel du chapitre
- Un atome = un noyau (protons $+$, neutrons neutres) entouré d'électrons ($-$) ; il est neutre, donc autant d'électrons que de protons.
- L'atome mesure $10^{-10}\ \mathrm{m}$, son noyau $10^{-15}\ \mathrm{m}$ : cent mille fois plus petit, mais il porte presque toute la masse.
- Une molécule est un groupe d'atomes liés, électriquement neutre ; sa formule donne sa composition, l'indice comptant les atomes et le coefficient les molécules.
- Un ion est un atome (ou un groupe d'atomes) qui a perdu des électrons (ion positif) ou en a gagné (ion négatif). Le nombre de protons ne change jamais.
- À connaître : $\mathrm{H^{+}}$, $\mathrm{Na^{+}}$, $\mathrm{Cu^{2+}}$, $\mathrm{Fe^{2+}}$, $\mathrm{Fe^{3+}}$, $\mathrm{Zn^{2+}}$, $\mathrm{Al^{3+}}$, $\mathrm{Cl^{-}}$, $\mathrm{OH^{-}}$.
- Un échantillon de matière est toujours électriquement neutre : autant de charges positives que négatives.