Les composés ioniques en 3ᵉ : cours, exercices et méthode pour le brevet

Des atomes aux ions

Un atome est électriquement neutre : il possède autant de protons, chargés positivement, que d’électrons, chargés négativement. Il peut devenir un ion en perdant ou en gagnant un ou plusieurs électrons. Le noyau ne change pas lors de cette transformation. Lorsqu’un atome perd des électrons, il possède alors davantage de protons que d’électrons : il devient un ion positif, appelé cation. L’atome de sodium Na peut ainsi perdre un électron et former l’ion sodium Na⁺. Lorsqu’un atome gagne des électrons, il possède davantage d’électrons que de protons : il devient un ion négatif, appelé anion. L’atome de chlore Cl peut gagner un électron et former l’ion chlorure Cl⁻. La charge écrite en exposant indique le déséquilibre électrique de l’ion. Le signe + ou − est indispensable. Le nombre indique combien de charges élémentaires sont portées par l’ion : Ca²⁺ porte deux charges positives et O²⁻ porte deux charges négatives. Ne confonds jamais le symbole d’un élément et celui de son ion. Ca désigne un atome de calcium neutre ; Ca²⁺ désigne un ion calcium. Ce ne sont pas les mêmes espèces chimiques. Certains ions sont constitués d’un seul atome, comme Na⁺, Mg²⁺ ou Cl⁻. D’autres regroupent plusieurs atomes liés entre eux et portent une charge globale : ce sont des ions polyatomiques. Par exemple, l’ion hydroxyde est OH⁻ et l’ion sulfate est SO₄²⁻. Apprends à les recopier sans modifier leurs indices : dans SO₄²⁻, l’indice ₄ fait partie de la formule de l’ion sulfate.

Vocabulaire et ions à reconnaître

Construire la formule d’un composé ionique

• Commence par identifier le cation et l’anion, avec leur charge. Dans le chlorure de magnésium, les ions sont Mg²⁺ et Cl⁻.
• Rappelle la règle valable pour tout composé ionique : la somme des charges positives et négatives doit être nulle. Le composé entier est électriquement neutre, même si chacun de ses ions est chargé.
• Cherche le plus petit nombre de chaque ion qui assure cette neutralité. Pour Mg²⁺ et Cl⁻, un ion Mg²⁺ apporte deux charges positives. Il faut donc deux ions Cl⁻, qui apportent ensemble deux charges négatives.
• Écris d’abord le symbole du cation, puis celui de l’anion. La formule du chlorure de magnésium est MgCl₂. L’indice ₂ concerne seulement Cl : il y a un ion magnésium pour deux ions chlorure.
• Ne reporte pas les charges des ions dans la formule finale. On écrit MgCl₂, et non Mg²⁺Cl₂⁻. Les charges servent au raisonnement ; la formule exprime la proportion d’ions dans le solide.
• Réduis toujours les nombres au plus petit rapport entier. Avec Ca²⁺ et O²⁻, une association un pour un est neutre : la formule est CaO, pas Ca₂O₂. Les deux écritures équilibreraient les charges, mais seule la formule réduite est retenue.
• Si un ion polyatomique est présent plusieurs fois, place-le entre parenthèses avant d’écrire l’indice. Avec Ca²⁺ et OH⁻, il faut deux ions hydroxyde : Ca(OH)₂. Sans parenthèses, CaOH₂ ne montrerait pas que le groupe OH est répété.
• Vérifie en calculant mentalement la charge totale. Pour Al₂O₃, deux ions Al³⁺ apportent six charges positives et trois ions O²⁻ apportent six charges négatives. La somme est nulle : la formule est cohérente.

Formule ionique et formule moléculaire : ne mélange pas les modèles

État solide, fusion et dissolution : suivre le déplacement des ions

Dans un solide ionique, les ions sont rangés dans un réseau et restent à des positions fixes les uns par rapport aux autres. Ils vibrent, mais ne traversent pas le solide : les charges ne peuvent donc pas se déplacer librement d’une électrode à l’autre. Un solide ionique ne conduit pas le courant électrique dans les conditions habituelles d’une expérience de conductivité. Lorsque le composé ionique est fondu, le réseau solide est détruit et les ions peuvent se déplacer : le liquide ionique peut conduire le courant. Lorsqu’un composé ionique soluble est placé dans l’eau, les molécules d’eau séparent et entourent les ions. On obtient une solution aqueuse ionique. Par exemple, la dissolution du chlorure de sodium dans l’eau peut s’écrire : NaCl → Na⁺ + Cl⁻. Cette écriture signifie que les ions sodium et chlorure sont dispersés dans l’eau ; elle ne signifie pas que les atomes ont disparu. Dans une solution aqueuse contenant des ions mobiles, le courant est transporté par le déplacement des cations vers l’électrode négative et des anions vers l’électrode positive. Attention : cette conclusion vaut si le composé se dissout réellement en quantité suffisante dans l’eau. Un solide ionique peu soluble laisse peu d’ions mobiles dans la solution. Pour justifier une observation de conductivité, construis ton raisonnement en trois étapes : identifie les espèces chargées, indique si elles sont mobiles dans l’état étudié, puis conclus sur la conduction. Ce plan de jeu est court, précis et solide. Coach Vince te le rappelle : une formule juste n’est jamais devinée ; elle est vérifiée par la neutralité électrique.

Transformations chimiques et masse volumique : deux grandeurs à ne pas oublier

Une transformation chimique a lieu lorsque des espèces chimiques appelées réactifs disparaissent et que de nouvelles espèces chimiques, appelées produits, apparaissent. Les atomes se conservent : ils sont seulement réarrangés. Dans une réaction entre une solution contenant des ions cuivre Cu²⁺ et une solution contenant des ions hydroxyde OH⁻, il peut apparaître un solide bleu d’hydroxyde de cuivre Cu(OH)₂. L’apparition d’un précipité est un indice de transformation chimique. Les ions Cu²⁺ et OH⁻ présents au départ participent alors à la formation d’une nouvelle espèce solide. L’équation simplifiée est : Cu²⁺ + 2 OH⁻ → Cu(OH)₂. Elle respecte la conservation des atomes et la conservation de la charge électrique : à gauche, la charge totale vaut (+2) + 2 × (−1) = 0 ; le solide formé est neutre. Ne confonds pas cette transformation chimique avec une dissolution. Quand le chlorure de sodium se dissout, les ions Na⁺ et Cl⁻ déjà présents dans le solide se dispersent dans l’eau : aucune nouvelle espèce chimique n’est créée. Lors d’une transformation chimique, au contraire, les espèces changent.

La masse volumique permet d’identifier ou de comparer des matériaux. Elle correspond à la masse d’un objet divisée par son volume : ρ = m ÷ V. Si la masse m est exprimée en g et le volume V en cm³, la masse volumique ρ s’exprime en g/cm³. Si m est en kg et V en m³, ρ s’exprime en kg/m³. Il faut toujours vérifier les unités avant de calculer. Par exemple, un échantillon de solide ionique a une masse de 54 g et un volume de 20 cm³. Sa masse volumique vaut ρ = 54 ÷ 20 = 2,7 g/cm³. Cette valeur signifie qu’un volume de 1 cm³ de ce solide a une masse de 2,7 g. La masse volumique dépend du matériau, mais pas de la taille de l’échantillon : deux morceaux du même solide ont la même masse volumique si leurs conditions sont identiques. Au brevet, écris la formule, remplace par les valeurs avec les unités, calcule puis donne l’unité du résultat. Coach Vince te le rappelle : sans unité, ton calcul n’est pas terminé.