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Les ions monoatomiques et les isotopes

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Objectifs

Un même élément chimique peut se trouver sous différentes formes. Il faut bien distinguer ce que désignent les deux termes ion et isotope et comprendre l’importance de savoir quelle est la forme de l’élément chimique utilisé.

1. Les ions monoatomiques : cation et anion

a. Définition

Un atome a tendance à perdre ou gagner des électrons pour adopter la configuration la plus adaptée selon l’environnement dans lequel il se trouve:
• un atome qui a gagné un ou plusieurs électrons sur sa couche externe est un ion monoatomique chargé négativement appelé anion.
• un atome qui a perdu un ou plusieurs électrons est un ion monoatomique chargé positivement appelé cation.

Le nombre d'électrons perdu(s) ou gagné(s) constitue la charge de l’ion.
Exemple : l'ion Calcium est Ca²⁺
Il est chargé positivement : c'est un cation
Il a perdu 2 électrons : sa charge est 2+.

Quand on parle d’ion, on s’intéresse à la structure électronique de l’atome.
Les ions peuvent être identifiés grâce à des tests caractéristiques.

b. Application de la règle du duet ou de l'octet aux ions monoatomiques

Les atomes essaient d’adopter une répartition électronique sur leur couche externe la plus favorable pour conduire à des cations ou des anions :
• Pour les atomes dont le numéro atomique est inférieur ou égal à 4, c’est la règle du duet qui l’emporte.
• Pour les atomes dont le numéro est strictement supérieur à 4, c’est la règle de l’octet qui prévaut.

Exemple : Le lithium

, dont le numéro atomique est Z = 3 , va avoir tendance à perdre un électron selon la règle du « duet » pour conduire à l’ion Li⁺.
De la même façon, le fluor

dont le numéro atomique est Z = 9 , va avoir tendance à gagner un électron selon la règle de l’octet pour conduire à l’ion F^-.

c. Exemples de réaction chimique sur un même élément chimique sous 2 formes différentes

Prenons l’exemple du magnésium :
• Sous sa forme solide, c'est-à-dire atomique de formule Mg_(s), il s’enflamme spontanément en présence d’eau.
• Sous sa forme ionique : Mg²⁺, il est complètement soluble dans l’eau.

Donc 2 formes différentes d’un même élément chimique évoluent différemment lors d’une même réaction chimique, d’où l’importance de connaître la forme de l’élément chimique utilisé.

2. Les isotopes

Quand on parle d’isotope, on s’intéresse au noyau de l’atome :

Des noyaux possédant le même nombre de protons (numéro atomique Z identique) mais un nombre de neutrons différents (nombre de masse A différent) et issus du même élément chimique sont des noyaux isotopes.

Un même élément chimique c'est-à-dire de même symbole, possède plusieurs formes isotopiques :

Exemple : L’élément hydrogène de symbole H a 3 isotopes connus:

: Il comporte 1proton et aucun neutron. On l’appelle communément le noyau hydrogène car c’est la forme la plus abondante dans la nature.

: Il comporte 1 proton et 1 neutron. On l’appelle le noyau deutérium.

: Il comporte 1 proton et 2 neutrons. On l’appelle le noyau tritium.
Les deux dernières formes sont très peu abondantes dans la nature.

De même, l’élément oxygène comporte plusieurs formes isotopiques :

Dans la classification périodique, l’isotope choisi pour représenter l’élément chimique est celui de l’isotope le plus abondant dans la nature :

Pour l’élément hydrogène, c’est :

.
Pour l’élément carbone, c’est

.

Les isotopes possèdent les mêmes propriétés chimiques, car leur structure électronique est identique, mais des propriétés physiques (température de fusion, d’ébullition, etc...) et nucléaires (radioactivité) différentes.

L'essentiel

• Le terme d’ions est utilisé si le nombre d’électrons présents dans la dernière couche électronique change, en revanche si on s’intéresse au noyau de l’atome et si le nombre de nucléons diffère alors on parlera d’isotopes.
• Les ions peuvent exister sous 2 formes:
- cationiques (s’ils perdent un ou plusieurs électrons) : ils sont chargés positivement.
- anioniques (s’ils gagnent un ou plusieurs électrons) : ils sont chargés négativement.

Quant aux noyaux isotopes, ils ont le même nombre de protons Z mais un nombre de neutrons différents. Ceci constitue les différentes formes isotopiques d’un même élément chimique.

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