Un peigne en plastique frotté sur les cheveux attire de petits bouts de papier : la matière contient donc des charges électriques ! Pour comprendre d’où elles viennent, il faut entrer dans l’atome, la brique élémentaire de la matière, et comprendre comment il peut devenir des ions.
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De la matière à l’atome
Toute la matière est constituée d’atomes. Un atome est minuscule : son diamètre est de l’ordre de 10−10 m, soit un dixième de milliardième de mètre. Un grain de sable en contient des milliards de milliards. On les symbolise par une lettre majuscule, éventuellement suivie d’une minuscule : H pour l’hydrogène, C pour le carbone, O pour l’oxygène, Na pour le sodium, Cl pour le chlore, Fe pour le fer.
Les molécules sont des assemblages d’atomes : la molécule d’eau, H2O, contient deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène.
La structure de l’atome
Le modèle de l’atome utilisé au collège le décrit comme un noyau très petit, chargé positivement, entouré d’un nuage d’électrons, chargés négativement.
Le noyau est constitué de nucléons : les protons (charge positive) et les neutrons (sans charge électrique). Les électrons (charge négative) se déplacent autour du noyau.
Charges, masses et tailles
La charge électrique se mesure en coulombs (C). Le proton et l’électron portent des charges opposées, de même valeur : la charge élémentaire e.
e = 1,6 × 10−19 C ; proton : +e ; électron : −e ; neutron : 0
| Particule | Charge | Masse approchée |
|---|---|---|
| Proton | +1,6 × 10−19 C | 1,67 × 10−27 kg |
| Neutron | 0 | 1,67 × 10−27 kg |
| Électron | −1,6 × 10−19 C | 9,1 × 10−31 kg |
Un électron est environ 1 800 fois plus léger qu’un proton. La masse de l’atome est donc pratiquement égale à celle de son noyau. Le noyau est lui-même 100 000 fois plus petit que l’atome (10−15 m contre 10−10 m) : entre le noyau et les électrons, il n’y a que du vide. On dit que la structure de l’atome est lacunaire. Si le noyau avait la taille d’une bille de 1 cm, l’atome ferait environ 1 km de diamètre.
Numéro atomique et neutralité
Le numéro atomique Z est le nombre de protons du noyau. Le nombre de nucléons A est le nombre total de protons et de neutrons. Le nombre de neutrons vaut donc N = A − Z. L’atome est noté AZX.
Un atome est électriquement neutre : il possède autant d’électrons que de protons. Nombre d’électrons = Z. Le numéro atomique Z caractérise l’élément chimique : tous les atomes de numéro Z = 6 sont des atomes de carbone.
L’atome de sodium est noté 2311Na. Il possède Z = 11 protons, donc 11 électrons. Son nombre de neutrons est N = 23 − 11 = 12. La charge de son noyau est 11 × 1,6 × 10−19 = 1,76 × 10−18 C et celle de son cortège d’électrons est −1,76 × 10−18 C : la charge totale est nulle.
Masse approchée d’un atome de carbone 126C : m ≈ A × mnucléon = 12 × 1,67 × 10−27 = 2,0 × 10−26 kg. Les 6 électrons ne pèsent que 6 × 9,1 × 10−31 ≈ 5,5 × 10−30 kg : on peut les négliger.
Les ions : des atomes qui ont perdu ou gagné des électrons
Lors de certaines transformations, un atome peut perdre ou gagner des électrons. Le noyau ne change pas (même Z, donc même élément), mais l’atome n’est plus neutre : c’est devenu un ion monoatomique.
Un cation est un ion de charge positive : l’atome a perdu un ou plusieurs électrons (Na+, Ca2+, Al3+). Un anion est un ion de charge négative : l’atome a gagné un ou plusieurs électrons (Cl−, O2−).
La formule de l’ion s’écrit avec le symbole de l’atome suivi, en exposant, de la valeur de la charge exprimée en nombre de charges élémentaires : Na+ (charge +e), Cu2+ (charge +2e), Fe3+ (charge +3e), O2− (charge −2e). Il existe aussi des ions polyatomiques, groupes d’atomes chargés : l’ion hydroxyde HO−, l’ion nitrate NO3−, l’ion sulfate SO42−, l’ion ammonium NH4+.
Pour trouver la composition d’un ion Xn+ : nombre de protons = Z ; nombre d’électrons = Z − n. Pour un anion Xn− : nombre d’électrons = Z + n.
L’ion aluminium Al3+ (Z = 13) possède 13 protons et 13 − 3 = 10 électrons. L’ion oxyde O2− (Z = 8) possède 8 protons et 8 + 2 = 10 électrons. Charge de l’ion Al3+ : +3 × 1,6 × 10−19 = +4,8 × 10−19 C.
Un atome ne devient pas un ion en gagnant ou en perdant des protons : cela changerait l’élément chimique. Seul le nombre d’électrons change. La masse de l’ion est pratiquement la même que celle de l’atome, car les électrons sont très légers.
Pourquoi les ions sont-ils importants ?
Les ions se rencontrent dans l’eau minérale, dans le sel de cuisine (Na+ et Cl−), dans le sang ou les engrais. Les atomes « gagnent » ou « perdent » des électrons lors de réactions chimiques et lors de l’électrisation par frottement : le plastique frotté capte des électrons arrachés à un autre matériau et se charge négativement. Dans un fil métallique, le courant électrique est un déplacement d’électrons ; dans une solution, il est dû à un déplacement d’ions (voir le chapitre suivant).
L’essentiel à retenir
- L’atome (≈ 10−10 m) est formé d’un noyau (protons + neutrons) et d’électrons ; sa structure est lacunaire.
- Proton : +e ; électron : −e ; neutron : 0 ; e = 1,6 × 10−19 C.
- Z = nombre de protons = nombre d’électrons de l’atome ; N = A − Z.
- La masse de l’atome est quasiment celle de son noyau.
- Un ion est un atome (ou un groupe d’atomes) qui a gagné ou perdu des électrons ; le noyau ne change pas.
- Cation : charge positive (électrons perdus) ; anion : charge négative (électrons gagnés).