Karamö, le prof virtuelLeçon 18 sur 22
Les ions métalliques
Je sais comment un atome de métal devient un ion positif, j'écris les formules des ions métalliques courants et je sais les reconnaître en solution avec la soude.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir un ion, un cation et un anion
- Expliquer la formation d'un ion métallique à partir de la structure électronique de l'atome
- Écrire la formule d'un composé ionique en respectant la neutralité électrique
- Identifier les ions Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Zn²⁺ et Al³⁺ par le test à la soude
Avant de commencer : Structure de l'atome et répartition des électrons en couches K, L, M ; valence ; le courant dans les métaux (électrons libres).
1Je découvre
À Guéckédou, la famille de Mamadou puise l'eau d'un puits. L'eau est claire quand on la tire, mais après quelques heures dans le seau, elle se trouble et laisse au fond un dépôt orange-rouille. Les parois du seau se teintent aussi d'orange. Le professeur de sciences de Mamadou lui explique : « Ton eau contient du fer, mais pas sous forme de morceaux de métal : sous forme d'ions fer, invisibles et dissous dans l'eau. »
Le lendemain, en classe, le professeur verse une solution bleue de sulfate de cuivre dans un tube, puis quelques gouttes d'une autre solution : un solide bleu apparaît aussitôt. « Ce test permet de reconnaître l'ion cuivre », dit-il.
Qu'est-ce qu'un ion métallique, comment se forme-t-il, et comment le reconnaître dans une solution ?
2Je comprends
1. Qu'est-ce qu'un ion ?
Un atome est électriquement neutre : il possède autant de protons (charges +) dans son noyau que d'électrons (charges −) autour du noyau.
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.
- Un atome qui perd des électrons devient un ion positif, appelé cation.
- Un atome qui gagne des électrons devient un ion négatif, appelé anion.
Le noyau ne change jamais : un ion garde le même nombre de protons que l'atome dont il vient. Il reste donc le même élément chimique.
2. Les métaux forment des ions positifs
Les atomes de métaux ont peu d'électrons sur leur couche externe (1, 2 ou 3). Il leur est plus facile de perdre ces électrons que d'en gagner. En les perdant, ils obtiennent une couche externe complète, comme les gaz rares (règle de l'octet ou du duet). Les ions métalliques sont donc des cations.
| Atome | Z | Répartition électronique | Électrons perdus | Ion | Répartition de l'ion |
|---|---|---|---|---|---|
| Sodium Na | 11 | K² L⁸ M¹ | 1 | Na^+ | K² L⁸ |
| Magnésium Mg | 12 | K² L⁸ M² | 2 | Mg2+ | K² L⁸ |
| Aluminium Al | 13 | K² L⁸ M³ | 3 | Al3+ | K² L⁸ |
| Potassium K | 19 | K² L⁸ M⁸ N¹ | 1 | K^+ | K² L⁸ M⁸ |
| Calcium Ca | 20 | K² L⁸ M⁸ N² | 2 | Ca2+ | K² L⁸ M⁸ |
Le nombre de charges de l'ion est égal au nombre d'électrons perdus, c'est-à-dire à la valence du métal.
D'autres métaux courants, qui ne font pas partie des 20 premiers éléments, forment aussi des ions : le cuivre Cu2+, le zinc Zn2+, l'argent Ag^+, le plomb Pb2+. Le fer peut former deux ions : l'ion fer II Fe2+ et l'ion fer III Fe3+.
Exemple
Combien de protons et d'électrons possède l'ion magnésium Mg²⁺ (Z = 12) ?
Le numéro atomique Z = 12 donne le nombre de protons : 12 protons (le noyau ne change pas).
L'atome neutre a 12 électrons ; l'ion Mg²⁺ en a perdu 2 : 12 − 2 = 10 électrons.
Charge totale : 12 charges + et 10 charges −, soit 2 charges + en trop : c'est bien Mg²⁺.
3. Les anions et les composés ioniques
Les non-métaux (chlore, oxygène, soufre) ont tendance à gagner des électrons. Voici les anions les plus utiles :
| Anion | Formule | Anion | Formule |
|---|---|---|---|
| ion chlorure | Cl^- | ion hydroxyde | OH^- |
| ion oxyde | O2- | ion sulfate | SO42- |
| ion nitrate | NO3^- | ion carbonate | CO32- |
Un composé ionique (comme le sel de cuisine) contient des cations et des anions. Il est électriquement neutre : la somme des charges positives est égale à la somme des charges négatives. Pour écrire sa formule, on choisit le nombre de chaque ion qui rend l'ensemble neutre.
Méthode
Pour écrire la formule d'un composé ionique :
- J'écris le cation et l'anion avec leurs charges (par exemple Al³⁺ et Cl⁻).
- Je cherche combien de chaque ion il faut pour que les charges + et − se compensent.
- J'écris d'abord le cation, puis l'anion, avec les nombres en indice (sans écrire les charges dans la formule).
- Je vérifie : total des charges + = total des charges −.
Exemple
Écris la formule du chlorure d'aluminium, puis celle du sulfate de fer III.
Chlorure d'aluminium : Al³⁺ et Cl⁻. Il faut 3 ions Cl⁻ pour compenser 3 charges + : formule AlCl₃. Vérification : 3 charges + et 3 × 1 = 3 charges −.
Sulfate de fer III : Fe³⁺ et SO₄²⁻. 2 Fe³⁺ donnent 6 charges + ; 3 SO₄²⁻ donnent 6 charges − : formule Fe₂(SO₄)₃.
Le sel de cuisine, le chlorure de sodium NaCl, est formé d'ions Na^+ et Cl^- ; le sulfate de cuivre CuSO4 est formé d'ions Cu2+ et SO42-. Quand on dissout ces composés dans l'eau, les ions se séparent et se dispersent : la solution contient des ions libres de se déplacer, c'est pourquoi elle conduit le courant.
4. Reconnaître les ions métalliques en solution
Par la couleur. Certains ions colorent la solution :
| Ion | Couleur de la solution |
|---|---|
| Cu2+ | bleue |
| Fe2+ | vert pâle |
| Fe3+ | jaune orangé (rouille) |
| Zn2+, Al3+, Na^+ | incolore |
Par le test à la soude. On verse quelques gouttes de soude (solution d'hydroxyde de sodium, contenant des ions OH^-) dans la solution à tester. Beaucoup d'ions métalliques forment alors un précipité (un solide qui apparaît dans le liquide) de couleur caractéristique.
| Ion testé | Précipité obtenu avec la soude | Équation |
|---|---|---|
| Cu2+ | bleu | Cu2+ + 2 OH^- → Cu(OH)2 |
| Fe2+ | vert (il brunit peu à peu à l'air) | Fe2+ + 2 OH^- → Fe(OH)2 |
| Fe3+ | rouille (brun-orangé) | Fe3+ + 3 OH^- → Fe(OH)3 |
| Zn2+ | blanc, qui se redissout dans un excès de soude | Zn2+ + 2 OH^- → Zn(OH)2 |
| Al3+ | blanc, qui se redissout dans un excès de soude | Al3+ + 3 OH^- → Al(OH)3 |
Dans chaque équation, les charges se conservent : par exemple, pour le cuivre, 2 + 2 × (-1) = 0, et le précipité Cu(OH)2 est neutre.
- 1Je verse environ 2 mL de la solution à tester dans un tube à essais propre.
- 2J'observe sa couleur (bleue : Cu²⁺ probable ; vert pâle : Fe²⁺ ; orangée : Fe³⁺).
- 3J'ajoute quelques gouttes de soude avec un compte-gouttes, en portant des lunettes.
- 4J'observe la couleur du précipité : bleu, vert, rouille ou blanc.
- 5Si le précipité est blanc, j'ajoute beaucoup de soude : il se redissout (Zn²⁺ ou Al³⁺).
- 6Je conclus en nommant l'ion et j'écris l'équation.
Exemple
Retour au puits de Mamadou. Le professeur prélève l'eau fraîchement tirée, y ajoute de la soude : un précipité vert apparaît, qui devient brun-orangé au bout de quelques minutes. Interprète.
Le précipité vert indique l'ion fer II Fe²⁺ : Fe²⁺ + 2 OH⁻ → Fe(OH)₂.
À l'air, le dioxygène transforme peu à peu le fer II en fer III : le précipité devient rouille.
C'est la même transformation qui se produit dans le seau : les ions fer de l'eau réagissent avec l'air et forment le dépôt orange.
3Je retiens
Je retiens
Un ion est un atome ou un groupe d'atomes qui a perdu ou gagné des électrons ; le noyau ne change pas.
Cation = ion positif (électrons perdus) ; anion = ion négatif (électrons gagnés).
Les métaux perdent leurs électrons externes et forment des cations : Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Al³⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Ag⁺.
Un composé ionique est neutre : NaCl, CuSO₄, AlCl₃, Fe₂(SO₄)₃.
Test à la soude : Cu²⁺ → précipité bleu ; Fe²⁺ → vert ; Fe³⁺ → rouille ; Zn²⁺ et Al³⁺ → blanc (soluble dans un excès de soude).
4Erreurs fréquentes
- Croire qu'un ion positif a gagné des charges positives (des protons) : il a PERDU des électrons ; le noyau ne change jamais.
- Écrire les charges dans la formule d'un composé : on écrit CuSO₄ et non Cu²⁺SO₄²⁻.
- Oublier de rendre le composé neutre : le chlorure de fer III s'écrit FeCl₃, pas FeCl.
- Confondre Fe²⁺ (précipité vert) et Fe³⁺ (précipité rouille) : ce sont deux ions différents du même élément.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Définis : a) un ion ; b) un cation ; c) un anion ; d) un précipité.
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a) Un ion est un atome ou un groupe d'atomes qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.
b) Un cation est un ion positif (il a perdu des électrons).
c) Un anion est un ion négatif (il a gagné des électrons).
d) Un précipité est un solide qui se forme dans une solution lors d'une réaction chimique.
2Exercice 2
Le potassium a pour numéro atomique Z = 19.
a) Écris la répartition électronique de l'atome de potassium.
b) Combien d'électrons perd-il pour former un ion stable ? Écris la formule de cet ion.
c) Donne le nombre de protons et d'électrons de cet ion.
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a) K² L⁸ M⁸ N¹ (2 + 8 + 8 + 1 = 19).
b) Il perd 1 électron (son unique électron externe) : il forme l'ion K^+.
c) 19 protons ; 19 - 1 = 18 électrons.
3Exercice 3
Écris la formule des composés ioniques suivants : a) chlorure de calcium (Ca2+ et Cl^-) ; b) oxyde d'aluminium (Al3+ et O2-) ; c) sulfate de zinc (Zn2+ et SO42-) ; d) nitrate d'argent (Ag^+ et NO3^-).
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a) CaCl2 : 2 charges + et 2 × 1 = 2 charges −.
b) Al2O3 : 2 × 3 = 6 charges + et 3 × 2 = 6 charges −.
c) ZnSO4 : 2 charges + et 2 charges −.
d) AgNO3 : 1 charge + et 1 charge −.
4Exercice 4
Quels ions contiennent les solutions suivantes ? a) chlorure de sodium NaCl ; b) sulfate de cuivre CuSO4 ; c) chlorure de fer III FeCl3 (indique combien d'ions de chaque sorte pour une unité).
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a) Des ions sodium Na^+ et des ions chlorure Cl^-.
b) Des ions cuivre II Cu2+ et des ions sulfate SO42-.
c) Des ions fer III Fe3+ et des ions chlorure Cl^- : pour une unité FeCl3, un ion Fe3+ et trois ions Cl^-.
5Exercice 5
(Type BEPC) Kadiatou dispose de trois flacons sans étiquette. Elle sait qu'ils contiennent une solution de sulfate de cuivre, une solution de sulfate de fer II et une solution de chlorure de zinc. Elle verse quelques gouttes de soude dans un peu de chaque solution.
- Flacon 1 : précipité blanc, qui disparaît quand on ajoute beaucoup de soude.
- Flacon 2 : précipité bleu.
- Flacon 3 : précipité vert, qui brunit à l'air.
a) Identifie la solution de chaque flacon.
b) Écris l'équation de la formation du précipité dans le flacon 2.
c) Avant même le test, quelle observation aurait permis de reconnaître le flacon 2 ?
d) Pourquoi doit-elle porter des lunettes de protection ?
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a) Flacon 1 : chlorure de zinc (précipité blanc soluble dans un excès de soude, ion Zn2+). Flacon 2 : sulfate de cuivre (précipité bleu, ion Cu2+). Flacon 3 : sulfate de fer II (précipité vert, ion Fe2+).
b) Cu2+ + 2 OH^- → Cu(OH)2.
c) La solution de sulfate de cuivre est bleue : c'est la couleur de l'ion Cu2+.
d) La soude est corrosive : une projection dans les yeux peut provoquer une brûlure grave.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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