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Cours : Identification d'une espèce chimique

Identification d'une espèce chimique

Introduction :

À l’échelle macroscopique, la matière liquide ou solide est toujours électriquement neutre. Mais sous quelles formes la matière se présente-t-elle ?
Nous aborderons dans ce chapitre les différentes espèces chimiques qui composent la matière. Dans un premier temps, nous définirons l’atome et sa notation en chimie. Ensuite, la même approche sera faite avec la molécule puis dans une dernière partie avec l’ion et les composés ioniques.

Qu’est-ce qu’une espèce chimique ?

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Définition

Espèce chimique :

Une espèce chimique correspond à un nombre très élevé d’entités chimiques identiques entre elles et représentées par la même formule.

Bien qu’il en existe d’autres, nous étudierons dans ce cours plusieurs entités chimiques différentes : les atomes, les molécules et les ions.

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Exemple

  • L’espèce chimique « eau » désigne un ensemble de molécules d’eau.
  • L’espèce chimique « chlorure » désigne un ensemble d’ion chlorure.

Espèce chimique atomique

Une espèce chimique atomique est composée d’entités qui sont des atomes. Il s’agit d’atomes de même nature (correspondant à un seul élément chimique) indépendants les uns des autres (au sein d’un gaz monoatomique par exemple) ou liés (par exemple au sein d’un cristal minéral ou d’un métal).

Qu’est-ce qu’un atome ?

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Définition

Atome :

Un atome est défini en première approche comme la partie insécable de la matière. Autrement dit, il est la plus petite partie d'un corps simple.

Cette définition date du début du XIXe siècle. Elle a évolué entre temps : on sait désormais que l’atome est constitué de particules subatomiques (les protons, les neutrons et les électrons, eux-mêmes constitués de quarks).

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À retenir

Les atomes sont répertoriés dans le tableau périodique (ou tableau de Mendeleïev).

Les atomes sont les constituants élémentaires de toutes les substances solides, liquides ou gazeuses. Les propriétés physiques et chimiques de ces substances sont déterminées par les atomes qui les constituent et par l'arrangement entre ces atomes.

Description simplifiée et charge de l’atome

Le noyau de l’atome est formé de protons, porteurs d'une charge électrique positive $e$ (la charge élémentaire) et de neutrons, électriquement neutres. Les électrons, porteurs d’une charge électrique négative $-e$, forment le nuage électronique. Ces électrons gravitent autour du noyau. Dans un atome, il y a autant de protons que d’électrons : l’atome est donc une entité neutre.

Représentation d’un atome Représentation d’un atome

Symbole chimique de l’atome

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Définition

Symbole chimique :

Afin de représenter un atome de façon symbolique, on peut utiliser le symbole chimique, symbolisé par $X$.

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À retenir

  • Le symbole chimique d’un atome correspond à une ou deux lettres issues ou non du nom entier de l’élément représenté.
  • Si le symbole chimique est constitué de deux lettres, la première est toujours en majuscule et la seconde en minuscule.

Symbole chimique des éléments les plus courants

Notons les symboles des éléments chimiques les plus courants :

  • Hydrogène : $\text{H}$
  • Hélium : $\text{He}$
  • Carbone : $\text{C}$
  • Azote : $\text{N}$
  • Oxygène : $\text{O}$
  • Sodium : $\text{Na}$
  • Chlore : $\text{Cl}$
  • Calcium : $\text{Ca}$
  • Fer : $\text{Fe}$
  • Cuivre : $\text{Cu}$

Espèce chimique moléculaire

Une espèce chimique moléculaire est composée de molécules identiques.

Qu’est-ce qu’une molécule ?

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Définition

Molécule :

Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d’au moins deux atomes, identiques ou différents.

Formule brute d’une molécule

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Définition

Formule brute :

La formule brute est l’écriture la plus compacte décrivant une espèce chimique qui indique la nature et les proportions de ses différents éléments chimiques. Elle est utilisée dans les équations chimiques pour décrire les réactions chimiques.

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Exemple

La corrosion de l’aluminium conduit à la formation de l’oxyde d’aluminium de formule $\text{Al}_2\text{O}_3$ (appelée aussi alumine) :
$4\,\text{Al}_{\text{(s)}}+3\,\text{O}_{2\,\text{(g)}}\rightarrow2\,\text{Al}_2\text{O}_{3\text{(s)}}$

Écriture d’une formule brute

Voici les règles principales à respecter lors de l’écriture d’une formule brute :

  • chaque élément chimique est représenté par son symbole atomique ;
  • le nombre d’atomes de chaque élément est noté en indice (en bas à droite) de son symbole ;
  • afin d’alléger la notation, l’indice « 1 » n’est jamais noté.
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Exemple

  • L’ozone : $\text{O}_3$. Une molécule d’ozone est composée de 3 atomes d’oxygène liés entre eux
  • Le monoxyde de carbone : $\text{CO}$. Une molécule de monoxyde de carbone est composée d’un atome de carbone lié à un atome d’oxygène.
  • Le saccharose : $\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$. Une molécule de saccharose est composée de $12$ atomes de carbone, de $22$ atomes d’hydrogène et de $11$ atomes d’oxygène liés entre eux.

Espèce chimique ionique

Une espèce chimique ionique est composée d’ions identiques (cations ou anions) représentés par la même formule chimique.

Qu’est-ce qu’un ion ?

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Définition

Ion :

Un ion provient d’un atome ou d’une molécule ayant perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Un ion est donc une espèce chimique chargée électriquement.

On distingue deux grandes catégories d’ions :

  • les cations qui sont chargés positivement ;
  • les anions qui sont chargés négativement.

On distingue également :

  • les ions monoatomiques, composés d’un seul atome ;
  • les ions polyatomiques, composés de plusieurs atomes.

Les électrons sont toujours chargés négativement ; un atome qui gagne un électron sera donc un ion chargé négativement, c’est-à-dire un anion. Inversement, un atome qui perd un électron sera donc un ion chargé positivement, c’est-à-dire un cation.

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Exemple

$\text{NO}_3^{-}$ est un anion composé d’un atome d’azote et de trois atomes d’oxygène. $\text{H}_3\text{O}^{+}$ est un cation composé de 3 atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène.

L’atome d’hydrogène noté $\text{H}$ est électriquement neutre, mais est très instable. Il aura donc tendance soit à perdre un électron pour donner le cation correspondant $\text{H}^+$, soit à gagner un électron et donner l’anion correspondant $\text{H}^-$.

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À retenir

  • La charge portée par un ion est un multiple de la charge élémentaire notée $e$ et dont la valeur approchée est $e=1,6\times10^{-19}\,\text{C}$.
    Par exemple, pour l’ion magnésium de formule $\text{Mg}^{2+}$, sa charge est égale à $2\times{1,6}\times{10^{-19}}\,\text{C}$ alors que celle de l’ion nitrate $\text{NO}_3^{-}$ est égale à $-1,6\times{10^{-19}}\,\text{C}$.
  • Un ion a donc des propriétés physico-chimiques différentes de la molécule dont il provient.

Cas particulier des composés ioniques

Chaque type d’ion constitue une espèce chimique à part entière mais lorsqu’un cation et un anion sont associés au sein d’un même solide ionique alors on considère que cette association en constitue une également.

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Définition

Composés ioniques :

Les composés ioniques sont des solides constitués de plusieurs ions – anions et cations – reliés entre eux par des liaisons chimiques appelées « liaisons ioniques ».

Comme tous les composés chimiques, les composés ioniques sont électriquement neutres. De ce fait, ils contiennent nécessairement 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.

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Astuce

Le chlorure de calcium ($\text{CaCl}_2$) est constitué d'un cation calcium $\text{Ca}^{2+}$ et de deux chlorure $\text{Cl}^{-}$. La charge d'un ion calcium vaut $+2e$ (deux charges élémentaires), celle d'un ion chlorure vaut $-e$ ; pour que l'ensemble soit neutre, les proportions des ions sont donc de deux ions chlorure pour un ion calcium.

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Exemple

Il est utile de retenir quelques composés ioniques fréquemment rencontrés en chimie :

  • L’hydroxyde de sodium ($\text{NaOH}$), communément appelé soude est un composé ionique constitué d’un cation $\text{Na}^{+}$ et d’un anion $\text{OH}^{-}$.
  • Le chlorure de fer ($\text{FeCl}_3$) est un composé ionique constitué d’un cation $\text{Fe}^{3+}$ et de trois anions $\text{Cl}^{-}$.

Conclusion :

Il existe trois types d’espèces chimiques distinctes :

  • les atomes (espèces chimiques atomiques) de charge nulle ;
  • les molécules (espèces chimiques moléculaires) de charge nulle ;
  • les ions (espèces chimiques ioniques) chargés positivement (les cations) ou négativement (les anions).

Pour les composés ioniques, on parle également d’espèce chimique bien qu'il y ait alors au moins deux ions différents, car ceux-ci sont indissociables et présents dans des proportions fixées par l'électroneutralité de la matière.
Pour aller plus loin, il existe aussi les espèces chimiques radicalaires. Un radical (ou radical libre) est une espèce chimique possédant un ou plusieurs électrons non appariés sur sa couche externe, ce qui leur confère une grande instabilité.