Tableau périodique avec quelques atomes en lien avec leur forme ionique la plus répandue. La charge des ions indiqués (sauf H+) a comme logique d'avoir la même structure électronique que legaz noble (cadre rouge) le plus proche.
Union est uneentité chimique portant unecharge électrique non nulle, c'est-à-dire unatome ou un groupe d'atomes dont le nombre d'électrons est différent de son nombre deprotons. On distingue deux grandes catégories d'ions : lescations, chargés positivement, et lesanions, chargés négativement.
Le signe et la valeur de cette charge électrique sont indiqués enexposant à la fin de laformule chimique de l'ion, en multiple de lacharge élémentairee (quand l'ion ne porte qu'une charge, on n'indique que le signe). Exemples : Cu2+ représente l'ion cuivre (II) de charge 2e, Na+ l'ion sodium de chargee, Cl− l'ion chlore de charge −e.
Uncomposé ionique est uncomposé chimique constitué d'ions positifs et négatifs, mais globalement neutre.
Le nom« ion » a été donné en 1834 parMichael Faraday, pour désigner lesespèces chimiques responsables de laconductivité électrique dans les solutions. Faraday voulait expliquer le transport du courant dans les solutions d'électrolytes. Ce néologisme sert d'abord à désigner lesentités chimiques migratrices vers l'anode ou lacathode d'une pile ou d'une batterie : il provient simplement du grecἰών /iốn, participe présent deεἶμι /eĩmi, « aller ». L'Académie des sciences l'enregistre dans la langue française en 1842. Faraday pense que la décomposition ionique est provoquée par le courant électrique. Mais les études ultérieures au voisinage des électrodes montrent des difficultés, en particulier pour comprendre l'apparition des produits de l’électrolyse aux électrodes. Pour garder une cohérence à la théorie, il faut se résoudre à affirmer que les ions apparaissent simplement, lorsque lessels se dissolvent naturellement dans des phasesliquides et sont donc présents, antérieurement à toute excitation électrique ou application d'unchamp électrique important. L'explication de ladissolution des sels est longtemps restée une énigme : ce sont les physiciens et chimistes pionniers enélectrochimie qui, étudiant la conductibilité électrique des solutions, ont soupçonné une possible voie de recherche.Theodor Grotthuss,Rudolf Clausius,Johann Wilhelm Hittorf,Edward Frankland,Wilhelm Ostwald,Svante August Arrhenius sont des partisans de la théorie de l'ionisation en solution.
Dès 1853, Hittorf étudie les variations deconcentrations au voisinage des électrodes. Il en conclut que les ions d'une solution migrent avec des vitesses différentes vers les électrodes. Il caractérise les ions par un nombre de transport et affirme que la conductivité est fonction de la réactivité chimique. Clausius démontre en 1857 la validité de laloi d'Ohm pour la solution d'électrolytes et postule l'existence d'ions libres avant toute application du champ électrique.Kohlrausch étudiant les électrolytes forts (entièrementdissociés) démontre que la conductivité limite d'une solution est la somme des mobilités électriques des ions. Les travaux théoriques deJacobus Henricus van 't Hoff etFrançois-Marie Raoult sur les solutions salines permettent vers 1880 la prise en compte globale de leurs propriétés :osmotiques,tonométriques,cryoscopiques etébulliométriques.
En 1885, le Suédois Svante August Arrhenius répond à ce « cahier des charges » en proposant une explication théorique, acceptée non sans une profonde résistance durable par une majeure partie de lacommunauté scientifique, du mécanisme de conduction en solution, théorie pour laquelle il est récompensé plus tard par leprix Nobel de chimie en 1903. Cette théorie qui pose les fondements de la chimie ionique met aussi à l'épreuve : les considérations sur les équilibres, validant ainsi laloi de Guldberg et Waage, et les raisonnements deMarcellin Berthelot sur l'effet thermique desréactions.
L'atome d'hydrogène (au centre) est constitué d'unproton et d'unélectron. La perte de son électron en fait un cation (à gauche). Le gain d'un électron en fait un anion (à droite).
Puisque la charge électrique d'un proton (+) est égale en intensité à la charge d'un électron (−), la charge électrique de l'ion est égale au nombre de protons moins le nombre d'électrons.
Unanion (−), duἄνω /ánō, « vers le haut », est un ion ayant plus d'électrons que de protons, ce lui donne une charge nette négative (car les électrons sont chargés négativement et les protons sont chargés positivement)[4]. Exemples : Cl− pour l'ion chlorure (ou chlorure), Br− pour l'ion bromure (ou bromure).
Uncation (+), du grecκάτω /kátō, « vers le bas », est un ion ayant moins d'électrons que de protons, ce qui lui donne une charge nette positive. Exemples : K+ pour l'ion potassium, Ca2+ pour l'ion calcium.
Il existe d'autres noms pour les ions à charge multiple. Par exemple, un ion avec une charge −2 est connu comme undianion, et un ion avec une charge +2 est connu comme undication.
On notera le cas particulier duzwitterion, qui est une molécule neutre avec des charges positives et négatives à différents endroits de la molécule[5].
Comme tous les composés chimiques, les composés ioniques sont électriquement neutres. De ce fait, ils contiennent à la fois des cations et des anions, dans des proportions telles que les charges positives des cations compensent exactement les charges négatives des anions. Cette propriété est valable pour les corps purs (solides ou liquides) comme pour les solutions ioniques.
Exemple : lechlorure de calcium (CaCl2) solide est constitué d'ions calcium Ca2+ et d'ions chlorure Cl−. La charge d'un ion calcium vaut +2e (deuxcharges élémentaires), tandis que celle d'un ion chlorure vaut −e : pour que l'ensemble soit neutre, les proportions des ions sont de deux ions chlorure pour un ion calcium. La formule ionique de ce sel est donc (Ca2+, 2 Cl−), saformule statistique est CaCl2.
Les solides ioniques sont constitués d'un empilement alterné de cations et d'anions reliés par des liaisons dites « ioniques » ; la cohésion de l'ensemble est assurée par les forces électrostatiques. Par exemple, lesel de table (chlorure de sodium) est un empilement d'ions chlorure et d'ions sodium. De nombreux solides ioniques sont très solubles dans l'eau ou d'autressolvants polaires, car les ions y sont facilementsolvatés (interaction favorable avec les molécules du solvant), même s'il existe des solides ioniques très peu solubles dans l'eau comme lechlorure d'argent ou lesulfate de baryum. Ces dernierscomposés sont obtenus commeprécipités dans desméthodes analytiques basées sur destitrages.
Un liquide contenant des ions parmi le solvant est appelé « solution ionique ». Dans la solution, les ions se déplacent facilement sous l'effet d'un champ électrique, d'où la forte conductibilité électrique des solutions ioniques. La mesure de la conductivité électrique d'une solution (conductimétrie) permet donc d'estimer sa teneur globale en ions. Une solution ionique est électriquement neutre.
Ainsi, l'eau desocéans, qui constituent la plus importante réserve hydrique de la Terre, est riche en ions :
Concentration approximative des principaux ions dans l'eau de mer normale
Laquantité de matière d'une espèce ionique dans un volume de solution est appelé « concentration molaire » de cette espèce d'ions. Si S est la solution et X l'espèce ionique, la concentration molaire [X] est donnée par :
ou ,
où est le nombre de moles de X dissoutes dans le volume de solution, la masse de X dissoute et lamasse molaire de X.
Cependant, dans le langage courant, on utilise davantage laconcentration massique, donnée par :
Dans certains corps moléculaires, certains atomes attirent plus les électrons de liaisons que d'autres. On dit alors que les liaisons entre atomes sontpolarisées.Au contact d'un solvant polaire, comme l'eau, les molécules de ces composés, tels l'acide sulfurique, l'ammoniac ou ledioxyde de carbone, se dissocient en ions au cours de la dissolution.
Notations équivalentes pour un atome defer (Fe) qui a perdu deux électrons, aussi nomméion ferreux.
Les ions sont notés en tenant compte de la différence entre le nombre de protons et le nombre d'électrons. Par exemple, lesodium perd facilement sonélectron de valence pour prendre la configuration d'ungaz noble. Lorsqu'il a perdu cet électron, il a un proton de plus que d'électrons : l'ion est noté Na+. Le magnésium, qui perd facilement deux électrons, devient l'ion Mg2+, etc.
Lorsqu'elles concernent desraies d'émissioninterdites ou semi-interdites, les notations sont entourées d'un ou deuxcrochets ([ ]). Ainsi,[Fe II] désigne les raies d'émission interdites de la première ionisation dufer, alors que[Ca III] désigne les raies semi-interdites ducalcium doublement ionisé.
Pierre Bianco,De la pile de Volta à la conquête de l'espace, deux siècles d'électrochimie 1799-1999, publication de l'université de Provence, 1998, 266 p.(ISBN978-2-85399-432-3). Voir en particulier lechapitre 9 sur l'étude des solutions d'électrolytes, intitulé « Une nouvelle voie pour l'électrochimie… ».
