Ions, molécules et réaction chimique

         La molécule est construite à partir d’atomes, mais elle n’est que très rarement constituée d’atomes. Dans la plupart des cas, les atomes se transforment en ions ou bien s’associent entre eux pour donner des molécules.

I-) LES IONS

Un atome est constitué d'un noyau, lui-même contenant des protons, et d'électrons, en nombre égal au nombre de protons. En fait, le nombre d'électrons autour d'un noyau n'est pas toujours égal au nombre de protons. Certains éléments ont tendance à aimer avoir plus d'électrons, d'autres moins. Mais dans ce cas, l'atome n'est plus neutre, car il n'a plus le même nombre de protons et d'électrons. On ne dit plus que c'est un atome, mais un ion.

 Il est important d'avoir à l'esprit que les électrons sont finalement assez mobiles. C'est ce qui explique notamment le courant électrique (constitué d'électrons), et bien d'autres choses. Ils peuvent donc exister en dehors d'un atome.

Dans la nature, par exemple, on trouve très rarement du Sodium à l'état d'atome. Le Sodium, en fait, a un électron de trop, dont il cherche à tout prix à se débarrasser. C'est pour cela qu'il le donne à tout ce qui passe, et qu'il peut réagir très violemment avec simplement de l'air : le simple fait de mettre du sodium en contact avec de l'air ou de l'eau suffit à déclencher une violente réaction : un feu de sodium ne s’éteint pas facilement...

Du coup, le sodium, y'en a partout, mais sous forme d'ion. Le sel, par exemple, que la mer contient en si grande quantité, c'est des ions sodium, positifs et des ions chlore, négatifs (ils leur manque un électron quand ils sont sous forme d'atome, et ils font tout pour en choper un).

 I-1) Qu’est-ce qu’un ion ?

Il s’agit d’un atome (ou d’une molécule) qui possède un ou plusieurs électrons en surnombre (c’est alors un ion négatif) ou au contraire qui a un déficit en électrons (ion positif). L’atome d’hydrogène H possède normalement un électron. S’il le perd, il devient un ion positif que l’on note H+. Cette opération peut être symbolisée de la manière suivante : H→H⁺ + eˉ (eˉ est le symbole de l’électron). De même, l’atome d’oxygène O a deux places libres  sur sa couche électronique externe. Si deux électrons supplémentaires viennent occuper ces deux places, l’atome a deux charges électriques élémentaires en trop et devient l’ion O²ˉ ce que l’on écrit de la manière suivante :    

O + 2eˉ→O²ˉ.

            NB Cette formation des ions obéit à la règle de l’octet « au cours de leurs transformations, les atomes tendent à saturer leur couche externe à 8 électrons, (1 octet), exception faite de l’hydrogène qui sature la sienne à 2 électrons (1 doublet)

I-2) liaison ionique : des échanges d’électrons

         Tous les autres éléments ne se trouvent pas dans la situation idéale des gaz rares. Et leur comportement chimique n’a qu’un seul but : leur permettre de parvenir à cet état particulièrement stable. Voyons par exemple le cas de l’atome de sodium Na (Z= 11) : il ne possède qu’un électron sur sa couche externe M. S’il parvient à le perdre, il va se trouver dans la situation idéale d’une couche externe L pleine (même structure électronique que le néon). Etudions maintenant le cas du chlore (Z= 17) qui a une place libre sur sa couche externe. Si un électron occupe cette place, l’atome de chlore sera dans la situation idéale (en l’occurrence la structure électronique de l’argon). Et il y a une solution évidente au problème du sodium et du chlore : Le sodium cède au chlore l’électron qu’il a en trop. Cet échange d’électron est la réaction Na + Cl→ NaCl. Le composé formé est le chlorure de sodium (sel de cuisine). La liaison établie entre les atomes de sodium et le chlore est appelée « liaison ionique ». Pour quelle raison ? Parce que dans le chlorure de sodium les atomes de sodium ont perdu un électron et se trouvent à l’état d’ions Na+, alors que les atomes de chlore ont gagné un électron et se trouvent à l’état d’ions Clˉ. En fait, il serait plus correct d’écrire le composé NaCl sous la forme Na⁺Clˉ. L’attraction entre le chlore et le sodium est de nature électrique. L’eau possède une propriété remarquable : elle sépare les ions des composés ioniques. En solution Na⁺Clˉ Na⁺  +  Clˉ. Et voilà pourquoi le sel de cuisine est soluble.

En somme, nous avons d’une part des ions formés d’un atome : ils sont dits monoatomiques, ils possèdent le même noyau que les atomes correspondants, donc un même nombre de charge. Ils ne diffèrent de l’atome que par leur formule électronique. Et d’autre part des ions formés à partir de plusieurs atomes. Ils sont dits polyatomiques.

Un ion est un atome (ou un groupe d’atomes) qui a perdu (ou gagné) un (ou plusieurs) électrons.

II-) LES MOLECULES

L'oxygène est bien un élément. Mais l'eau par exemple, non. L'eau est ce qu'on appelle une molécule : un regroupement d'atomes. En l'occurrence, de deux atomes d'hydrogène, et d'un d'oxygène. Ce qu'on note H2O. Les atomes ne restent en effet que rarement seuls. En général, ils se prennent d'affection pour d'autres atomes, et leurs mettent littéralement un bras autour du cou : les nuages électroniques des atomes se mélangent un peu, et c'est ainsi que les atomes s'attachent entre eux. Ils sont alors liés par une liaison "covalente" et forment des molécules. Les molécules ne sont donc pas des paquets désorganisés d'atomes. Ce sont des atomes liés entre eux par des liaisons stables et permanentes.

Il existe des atomes qui n'aiment personne : ce sont les gaz rares, comme l'hélium, le néon, le krypton... Ils restent seuls car leur nuage électronique est parfait. Donc ils n'éprouvent aucun besoin de perdre ou de gagner d'électron, voire d'en partager un avec un autre atome. Donc on ne les trouve pas sous forme d'ion ou de molécule.

II-1) Comment symbolise-t-on une molécule ?

         On écrit, cote à cote, les symboles des atomes qui la constituent affectés d’un chiffre indiquant le nombre d’atomes entrant dans la molécule. Par exemple, le symbole de la molécule d’eau H2O montre bien qu’elle est composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. La molécule de gaz carbonique CO2 est formée d’un atome de carbone et deux atomes d’oxygène ; et celle de glucose C6H12O6 contient 6 atomes de carbone, 12 d’hydrogène et 6 d’oxygène.

II-2) Quelles sont les formes des molécules ?

            Lorsque plusieurs atomes se lient par des liaisons covalentes pour former une molécule, leur disposition est rigoureusement imposée par ces liaisons. La molécule de gaz carbonique CO2 est par exemple linéaire : les deux atomes d’oxygène sont placés de part et d’autre de l’atome de carbone. La molécule de méthane CH4 est tétraédrique : l’atome de carbone C est au centre d’un tétraèdre dont les sommets sont occupés par les quatre atomes d’hydrogène. La molécule de fluorure de soufre SF6 est octaédrique, l’atome de soufre se trouvant au centre de l’octaèdre constitué par les atomes de fluor.

III-) REACTION CHIMIQUE

Une réaction chimique est une sorte de partie de chaises musicales : lorsque deux molécules se rencontrent, certaines particules (atomes, électrons) décident qu'ils seraient plus à l'aise avec ceux de l'autre molécule. Il se produit donc un réarrangement des groupes d'atomes. C'est une réaction chimique. Lors d'une réaction chimique, la nature des molécules, donc des groupes d'atomes change souvent. Par contre, les atomes, enfin leurs noyaux, ne sont pas modifiés. Les éléments sont donc conservés lors d'une réaction chimique. Inutile de chercher ainsi à changer le plomb en or. Ce sont deux éléments différents, donc aucune réaction chimique ne peut produire cet effet. Par exemple, la combustion d'une molécule de méthane (un atome de carbone et 4 d'hydrogène) avec 3 de dioxygène (deux atomes d'oxygène) donne deux molécules d'eau (deux atomes d'hydrogène et un d'oxygène) et une de dioxyde de carbone (un atome de carbone et deux d'oxygène). Normalement, le compte y est, on n’a perdu personne. Des fois, ce sont seulement des électrons qui changent de propriétaire, comme pour le sodium.

Il faut noter que les réactions chimiques, même celles qui fournissent beaucoup d'énergie (et qui sont les plus "faciles" à faire) démarrent d'autant plus rapidement qu'il fait chaud. En effet, plus il fait chaud, plus les molécules sont agitées. Et plus elles sont agitées, plus elles se cognent les unes aux autres - donc plus la réaction chimique a de chances de se passer.

Comment note-t-on une réaction ?

            En la présentant sous forme d’équation :

A gauche apparaissent les formules des produits entrant dans les réactions

A droite, les formules des produits formés dans la réaction.

Deux exemples :

La réaction de l’acide chlorhydrique (HCl) sur la soude (NaOH)

HCl + NaOH→NaCl + H2O (il se forme du chlorure de sodium NaCl et de l’eau)

La réaction du plomb (Pb) sur le soufre (S)

Pb + S →PbS (Le plomb brûle dans le soufre en donnant du sulfure de plomb).