Lorsqu'un atome ou un groupe d'atomes gagne ou perd des électrons, ils forment une espèce électriquement chargée, appelée ion. Des tests caractéristiques permettent de les mettre en évidence. Les ions \ce{H+} et \ce{OH-}, liés au pH des solutions, sont responsables des réactions chimiques, parfois dangereuses, qui se déroulent en cas de mélanges de certains produits d'entretien.
Les ions
Définition
Ion
Un ion est obtenu lorsqu'un atome ou groupe d'atomes a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.
L'atome de cuivre peut perdre deux de ses électrons et forme alors l'ion cuivre (II).
Formation d'un ion
Un ion est par définition non neutre.
- Si l'ion provient d'un atome qui a perdu des électrons (charges négatives), il reste plus de charges positives que de charges négatives. C'est un ion positif appelé cation.
- Si l'ion provient d'un atome qui a gagné des électrons, il y aura donc plus de charges négatives que de charges positives. C'est un ion négatif appelé anion.
L'ion cuivre (II) étant obtenu lorsque l'atome de cuivre perd 2 électrons, il s'agit d'un cation.
Les ions monoatomiques et les ions polyatomiques
Ion monoatomique
Un ion monoatomique est obtenu lorsqu'un seul atome a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Sa formule est obtenue en ajoutant à celle de l'atome correspondant la charge électrique de l'ion, en haut à droite.
L'ion cuivre (II) provenant d'un atome de cuivre qui perd deux électrons, il possède deux charges positives non compensées par les électrons. Sa charge électrique est donc "2+" et sa formule est \ce{Cu^{2+}}.
Ion polyatomique
Un ion polyatomique est obtenu lorsqu'un groupe d'atomes a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.
L'ion nitrate \ce{NO3-} est un groupe d'atomes qui contient un atome d'azote et 3 atomes d'oxygène. Ce groupe d'atomes porte une charge négative, donc le groupe a gagné un électron.
Signification de la formule d'un ion polyatomique
Les tests de reconnaissance de quelques ions
L'identification des ions métalliques
Un précipité est un solide peu soluble qui se forme dans un liquide suite à une transformation chimique.
Le trouble de l'eau de chaux a pour origine la formation d'un précipité.
Test des ions métalliques
Pour identifier les ions métalliques dans une solution aqueuse, il suffit d'ajouter quelques gouttes de soude, ou solution d'hydroxyde de sodium \ce{(Na+_{(aq)} + OH^{-}_{(aq)})} , dans le liquide. On observe différents précipités suivant les ions identifiés.
La couleur du précipité permet d'identifier l'ion métallique présent dans la solution aqueuse.
Si le précipité obtenu est bleu, la solution contient des ions cuivre (II) \ce{Cu^{2+}}.
Si le précipité obtenu est vert, la solution contient des ions fer (II) \ce{Fe^{2+}}.
Si le précipité obtenu est brun rouille, la solution contient des ions fer (III) \ce{Fe^{3+}}.
Si le précipité obtenu est blanc, la solution contient des ions zinc (II) \ce{Zn^{2+}}.
L'identification des ions chlorure \ce{Cl-}
Test des ions chlorure
Pour identifier les ions chlorure dans une solution aqueuse, il suffit d'ajouter quelques gouttes de nitrate d'argent dans le liquide.
Test des ions chlorure
Le pH
Définition
pH
Le pH (potentiel Hydrogène) mesure l'acidité d'une solution. Il n'a pas d'unité et il se mesure à l'aide d'un pH-mètre ou d'un papier indicateur de pH.
Le pH d'une solution aqueuse est compris entre 0 et 14.
- Si le pH est inférieur à 7, la solution est acide.
- Si le pH est voisin de 7, la solution est neutre.
- Si le pH est supérieur à 7, la solution est basique.
Nature des solutions en fonction du pH
Le jus de citron a un pH voisin de 3, c'est donc une solution acide.
Les eaux minérales ont des pH voisin de 7, ce sont donc des solutions neutres.
Les eaux savonneuses et les lessives ont des pH supérieurs à 9, ce sont donc des solutions basiques.
Le lien entre le pH et les ions \ce{H+} et \ce{OH-}
Les ions hydrogène et hydroxyde
- L'ion hydrogène est l'ion monoatomique de formule \ce{H+}
- L'ion hydroxyde est l'ion polyatomique de formule \ce{OH-}
Le pH est également une mesure de la concentration en ions hydrogène \ce{H+} et en ions hydroxyde \ce{OH-} présents dans la solution aqueuse.
Plus le pH d'une solution est faible :
- Plus la quantité d'ions hydrogène \ce{H+} qu'elle contient est importante.
- Plus la quantité d'ions hydroxyde \ce{OH-} qu'elle contient est faible.
- Si le pH est égal à 7, la solution contient autant d'ions hydrogène \ce{H+} que d'ions hydroxyde \ce{OH-}.
- Plus le pH est proche de 0, plus la solution est acide et concentrée en ions hydrogène \ce{H+}.
- Plus le pH est proche de 14, plus la solution est basique et concentrée en ions hydroxyde \ce{OH-}.
Lien entre pH et ions hydrogène et hydroxyde
Un jus de citron ayant un pH proche de 3, il contient davantage d'ions hydrogène \ce{H+} que d'ions hydroxyde \ce{OH-}.
L'effet de la dilution sur le pH d'une solution
Lors d'une dilution d'une solution acide, le pH augmente et se rapproche de 7. La concentration en ions hydrogène \ce{H+} diminue.
Effet d'une dilution sur une solution acide
Lorsqu'on ajoute de l'eau à un jus de citron, son pH augmente et se rapproche de 7.
Lors d'une dilution d'une solution basique, le pH diminue et se rapproche de 7. La concentration en ions hydroxyde \ce{OH-} diminue.
Effet d'une dilution sur une solution basique
Lorsqu'on dilue une eau savonneuse, son pH diminue et se rapproche de 7.
Les produits acides et basiques concentrés sont dangereux, car ils provoquent des brûlures graves de la peau et des yeux. Pour se protéger, il faut porter une blouse, des lunettes de protection et des gants.
Les réactions acidobasiques
Si on mélange de la soude \left(\ce{Na+} + \ce{OH-}\right), appelée aussi hydroxyde de sodium, à de l'acide chlorhydrique \left(\ce{H+} + \ce{Cl-}\right), on observe que la température du mélange augmente. La réaction chimique qui a lieu dégage de la chaleur.
Lors du mélange d'une solution d'acide chlorhydrique avec de la soude, la température, initialement à 20 °C, augmente.
Effet d'une réaction acidobasique
Le bilan de la réaction chimique est alors :
soude + acide chlorhydrique → eau
Et l'équation de la réaction est :
\ce{H+} + \ce{OH-} \ce{- \gt } \ce{H2O}
Les ions sodium \ce{Na+} de la soude et les ions chlorure \ce{Cl-} de l'acide chlorhydrique ne participent pas à la réaction, on dit que ce sont des ions spectateurs.
- Il faut éviter de mélanger des solutions acides et des solutions basiques, surtout si elles sont concentrées, car le dégagement de chaleur peut être intense et des projections très corrosives peuvent avoir lieu.
- On ne verse pas d'eau directement dans une solution acide ou basique concentrée, car on peut recevoir des projections corrosives.
- On ne mélange pas une solution acide (comme du détartrant WC) avec de l'eau de Javel, car un gaz très toxique (le dichlore) peut se dégager.