La constitution de la matière : atomes, molécules et ions

L'atome, constituant fondamental de la matière

Toute la matière qui nous entoure (solides, liquides, gaz) est constituée de particules extrêmement petites, invisibles à l'œil nu, appelées atomes. Un atome est lui-même composé de deux parties principales :
1. Un noyau central, très petit et chargé positivement.
2. Des électrons, particules chargées négativement, qui gravitent très rapidement autour du noyau.

Le noyau est constitué de deux types de particules :
Les protons*, qui portent une charge électrique positive.
Les neutrons*, qui ne portent aucune charge électrique (ils sont neutres).

Un atome est toujours électriquement neutre. Cela signifie qu'il contient autant de protons (charges positives) dans son noyau que d'électrons (charges négatives) autour de son noyau. Les charges positives et négatives se compensent.

Exemple
L'atome de carbone possède 6 protons dans son noyau. Combien d'électrons possède-t-il ?

Corrigé pas à pas
Puisqu'un atome est électriquement neutre, il doit avoir autant de charges positives (protons) que de charges négatives (électrons). Si l'atome de carbone a 6 protons, il possède donc 6 électrons.

Erreurs fréquentes
Confondre les charges des particules : les protons sont positifs, les électrons sont négatifs, les neutrons sont neutres.
Oublier que l'atome est électriquement neutre, ce qui signifie qu'il a le même nombre de protons et d'électrons.

La molécule, assemblage d'atomes

Une molécule est un assemblage d'au moins deux atomes liés entre eux. Ces atomes peuvent être identiques ou différents.

La formule chimique d'une molécule indique la nature des atomes qui la composent et leur nombre. Par exemple :
Le dioxygène* ($O_2$) est une molécule composée de deux atomes d'oxygène liés ensemble.
L'eau* ($H_2O$) est une molécule composée d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène liés ensemble.
Le dioxyde de carbone* ($CO_2$) est une molécule composée d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène liés ensemble.

Les modèles moléculaires (souvent représentés par des sphères de couleurs différentes pour chaque type d'atome) permettent de visualiser la structure des molécules.

Méthode
Identifier les symboles chimiques des atomes présents dans la formule.
Lire les indices (les petits chiffres) après chaque symbole pour connaître le nombre d'atomes de chaque type. S'il n'y a pas d'indice, cela signifie qu'il y a un seul atome de ce type.
Visualiser l'assemblage des atomes.

Exemple
Décrivez la composition de la molécule de méthane, dont la formule chimique est $CH_4$.

Corrigé pas à pas
La formule $CH_4$ indique que la molécule de méthane est composée d'un atome de carbone (C) et de quatre atomes d'hydrogène (H).

Erreurs fréquentes
Oublier les indices dans les formules chimiques : $H_2O$ n'est pas la même chose que $HO_2$. L'indice s'applique à l'atome qui le précède.
Confondre un atome et une molécule : un atome est une entité unique (ex: $O$), une molécule est un assemblage d'atomes (ex: $O_2$ ou $H_2O$).
Penser que les atomes dans une molécule sont juste côte à côte sans être liés.

L'ion, un atome ou une molécule qui a perdu ou gagné des électrons

Un ion est un atome (ou un groupe d'atomes) qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Puisqu'il n'a plus le même nombre de protons et d'électrons, il n'est plus électriquement neutre et porte une charge électrique.

On distingue deux types d'ions :
Un cation* est un ion chargé positivement. Il se forme lorsqu'un atome perd un ou plusieurs électrons (les charges positives des protons deviennent majoritaires).
Un anion* est un ion chargé négativement. Il se forme lorsqu'un atome gagne un ou plusieurs électrons (les charges négatives des électrons deviennent majoritaires).

La formule d'un ion est le symbole de l'atome (ou la formule de la molécule) suivi de sa charge électrique en exposant. Par exemple :
• $Na^+$ : ion sodium (un atome de sodium qui a perdu 1 électron).
• $Cl^-$ : ion chlorure (un atome de chlore qui a gagné 1 électron).
• $O^{2-}$ : ion oxyde (un atome d'oxygène qui a gagné 2 électrons).
• $Fe^{3+}$ : ion fer III (un atome de fer qui a perdu 3 électrons).

Méthode
Identifier l'atome de départ et son nombre de protons (et donc d'électrons s'il est neutre).
Déterminer si l'atome a perdu ou gagné des électrons.
Si l'atome perd des électrons, il devient un cation (charge positive). Le nombre d'électrons perdus correspond à la valeur de la charge positive (ex: perte de 1 électron $\rightarrow$ $^+$).
Si l'atome gagne des électrons, il devient un anion (charge négative). Le nombre d'électrons gagnés correspond à la valeur de la charge négative (ex: gain de 2 électrons $\rightarrow$ $^{2-}$).
Écrire le symbole de l'atome (ou la formule de la molécule) avec la charge en exposant.

Exemple
L'atome de chlore ($Cl$) possède 17 protons et 17 électrons. Il peut gagner un électron pour former un ion. Quelle est la formule de cet ion et sa charge ?

Corrigé pas à pas
Si l'atome de chlore ($Cl$) gagne un électron, il aura 17 protons (charges positives) et 18 électrons (charges négatives). Il y a donc une charge négative en excès. L'ion formé est l'ion chlorure, de formule $Cl^-$. C'est un anion.

Erreurs fréquentes
Confondre la perte/gain d'électrons avec la perte/gain de protons. Seuls les électrons sont échangés lors de la formation d'un ion.
Oublier d'indiquer la charge de l'ion dans sa formule (ex: écrire $Na$ au lieu de $Na^+$).
Confondre cation et anion : un cation est positif (perte d'électrons), un anion est négatif (gain d'électrons).

Représenter une molécule à partir de sa formule chimique

1. Identifiez les symboles des atomes présents et leurs couleurs conventionnelles (ex: C=noir, H=blanc, O=rouge, N=bleu).
2. Comptez le nombre de chaque type d'atome en regardant les indices dans la formule chimique (un indice 1 est sous-entendu).
3. Dessinez les atomes sous forme de sphères, en les reliant pour former la molécule. Assurez-vous que le nombre de liaisons est cohérent avec la structure connue de la molécule (pour les molécules simples du collège).

Exemple
Représentez la molécule de méthane ($CH_4$) à l'aide de modèles moléculaires (C = noir, H = blanc).

Corrigé pas à pas
1. La formule $CH_4$ indique un atome de carbone (C) et quatre atomes d'hydrogène (H).
2. Le carbone est représenté par une sphère noire, l'hydrogène par des sphères blanches.
3. On place la sphère de carbone au centre et on la relie aux quatre sphères d'hydrogène.

<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 150 150">
<!-- Carbone (noir) -->
<circle cx="75" cy="75" r="25" fill="#333333" stroke="#000000" stroke-width="1"/>
<text x="68" y="80" font-size="12" fill="#FFFFFF">C</text>
<!-- Hydrogène 1 (blanc) -->
<circle cx="75" cy="25" r="15" fill="#FFFFFF" stroke="#CCCCCC" stroke-width="1"/>
<text x="70" y="30" font-size="12" fill="#000000">H</text>
<!-- Hydrogène 2 (blanc) -->
<circle cx="25" cy="75" r="15" fill="#FFFFFF" stroke="#CCCCCC" stroke-width="1"/>
<text x="20" y="80" font-size="12" fill="#000000">H</text>
<!-- Hydrogène 3 (blanc) -->
<circle cx="75" cy="125" r="15" fill="#FFFFFF" stroke="#CCCCCC" stroke-width="1"/>
<text x="70" y="130" font-size="12" fill="#000000">H</text>
<!-- Hydrogène 4 (blanc) -->
<circle cx="125" cy="75" r="15" fill="#FFFFFF" stroke="#CCCCCC" stroke-width="1"/>
<text x="120" y="80" font-size="12" fill="#000000">H</text>
<!-- Liaisons -->
<line x1="75" y1="50" x2="75" y2="60" stroke="#333333" stroke-width="3"/>
<line x1="50" y1="75" x2="60" y2="75" stroke="#333333" stroke-width="3"/>
<line x1="75" y1="100" x2="75" y2="90" stroke="#333333" stroke-width="3"/>
<line x1="100" y1="75" x2="90" y2="75" stroke="#333333" stroke-width="3"/>
</svg>

Écrire la formule d'un ion à partir de sa description

1. Identifiez le symbole chimique de l'atome ou du groupe d'atomes concerné.
2. Déterminez le nombre d'électrons gagnés ou perdus.
3. Si des électrons sont perdus, l'ion est un cation (charge positive). La charge est égale au nombre d'électrons perdus (ex: 1 électron perdu $\rightarrow$ $^+$ ; 2 électrons perdus $\rightarrow$ $^{2+}$).
4. Si des électrons sont gagnés, l'ion est un anion (charge négative). La charge est égale au nombre d'électrons gagnés (ex: 1 électron gagné $\rightarrow$ $^-$ ; 2 électrons gagnés $\rightarrow$ $^{2-}$).
5. Écrivez le symbole de l'atome ou de la molécule, suivi de la charge en exposant.

Exemple
Écrivez la formule de l'ion formé lorsque l'atome d'oxygène ($O$) gagne deux électrons.

Corrigé pas à pas
1. Le symbole de l'atome est $O$.
2. L'atome gagne deux électrons.
3. Gagner des électrons rend l'ion négatif. Puisqu'il en gagne deux, la charge est $2-$.
4. La formule de l'ion est $O^{2-}$. C'est l'ion oxyde.

L'atome

• Particule fondamentale de la matière.
• Composé d'un noyau (protons + neutrons) et d'électrons.
• Électriquement neutre : nombre de protons = nombre d'électrons.

La molécule

• Assemblage d'au moins deux atomes liés entre eux.
• La formule chimique indique la nature et le nombre des atomes (ex: $H_2O$ pour l'eau).

L'ion

• Atome (ou groupe d'atomes) qui a perdu ou gagné des électrons.
• N'est plus électriquement neutre, porte une charge électrique.
• Cation : ion positif (perte d'électrons, ex: $Na^+$).
• Anion : ion négatif (gain d'électrons, ex: $Cl^-$).