Comment déterminer le nombre de protons et d’électrons dans les ions ?

Les atomes sont constitués d’un noyau entouré d’électrons qui tournent à grande vitesse autour de lui. Le noyau est composé de protons et de neutrons et le nombre de protons est la partie de l’atome qui lui donne son identité. C’est la raison pour laquelle ce nombre est appelé le numéro atomique.

La charge de chaque proton est égale en magnitude mais de signe opposé à la charge de l’électron. Pour cette raison, il est entendu que dans le noyau d’un atome neutre, il doit y avoir le même nombre d’électrons que de protons. En ce sens, le nombre d’électrons dans un atome neutre est déterminé par le numéro atomique (Z).

C’est très facile à comprendre, mais qu’en est-il des ions ? Comment le nombre d’électrons et de protons dans un cation ou un anion est-il déterminé ? Pour le comprendre, nous devons d’abord comprendre ce que sont les ions et comment ils se forment.

Qu’est-ce qu’un ion ?

Un ion est une espèce chimique qui a une charge électrique nette. Cela implique qu’il doit y avoir un déséquilibre entre le nombre de charges positives dans le noyau et le nombre de charges négatives dans le nuage d’électrons environnant. En d’autres termes, un ion est une espèce chimique dans laquelle le nombre de protons et d’électrons n’est pas égal.

Les ions se forment dans des réactions chimiques par la perte ou le gain d’électrons, que l’ion soit positif ou négatif. En effet, les réactions chimiques n’impliquent jamais le noyau, mais uniquement les électrons de valence, qui sont les électrons les plus externes d’un atome.

La perte ou le gain d’électrons donne naissance à deux types d’ions selon leur charge : les cations et les anions.

cations

Ce sont des ions qui ont une charge nette positive. Ces ions se forment lorsqu’un atome neutre perd un ou plusieurs électrons. Le terme cation vient du fait que, lors de l’électrolyse d’une solution ou d’un sel fondu, ce sont ces ions qui sont dirigés vers la cathode, ou électrode, dans laquelle se produit la réaction de réduction.

Comment calculer le nombre de protons et d’électrons dans un cation ?

La charge positive des cations n’est pas due au fait que le noyau a gagné des protons chargés positivement, mais plutôt au fait que l’atome a perdu des électrons chargés négativement, laissant un excès de charges positives. Pour cette raison, la valeur de la charge positive représente le nombre d’électrons que l’atome neutre a perdu pour devenir le cation.

Compte tenu de cela, le nombre d’électrons dans un cation n’est pas supérieur au nombre d’électrons que l’atome neutre avait à l’origine, moins le nombre de charges positives sur le cation. D’autre part, puisque le noyau de l’atome n’est pas affecté lors de la formation du cation, le nombre de protons dans l’atome neutre et le cation est le même et est égal au numéro atomique de l’élément en question.

Si nous appelons p le nombre de protons, n _e le nombre d’électrons et q la charge du cation, alors nous pouvons dire que :

En résumé, le nombre de protons dans un cation est égal au numéro atomique de l’élément, tandis que le nombre d’électrons est donné en soustrayant le numéro atomique et la charge de l’ion :

anions

Les anions sont l’opposé des cations. Ce sont des ions qui ont une charge nette négative et qui vont vers l’ anode dans les cellules d’électrolyse, d’où leur nom. Les anions se forment lorsqu’un atome neutre gagne des électrons, créant un excès de charges négatives qui n’est pas équilibré par les charges positives du noyau.

Comment calculer le nombre de protons et d’électrons dans un cation ?

Suivant la même logique que précédemment, le nombre de protons dans le noyau d’un anion monoatomique est le même que dans l’atome neutre, donc p = Z tient toujours . Au lieu de cela, le nombre d’électrons est, dans ce cas, la somme du nombre d’électrons dans l’atome neutre, plus le nombre de charges négatives sur l’anion. Cela peut être écrit comme suit :

Dans ce cas, la valeur absolue de q doit être prise de manière à ce que la valeur s’additionne, car les anions ont plus d’électrons que d’atomes neutres. Par conséquent, pour calculer le nombre de protons et d’électrons dans un anion, les formules suivantes sont utilisées :

Méthode générale pour calculer le nombre de protons et d’électrons dans un ion

Comme on peut le voir sur les deux expressions précédentes, pour déterminer le nombre d’électrons dans un ion, il suffit d’ajouter ou de soustraire la charge selon qu’il s’agit d’un anion ou d’un cation. Cependant, cela équivaut à toujours soustraire la charge électrique de l’ion, tant que nous incluons le signe de la charge lors de la substitution de la valeur. De cette façon, nous allons soustraire s’il s’agit d’un cation (car la charge est positive et en multipliant par le moins de la formule, le résultat est négatif) et ajouter s’il s’agit d’un anion (car le produit du négatif de la formule avec celui de la charge donne un signe positif).

C’est-à-dire que, pour tout ion, qu’il soit positif ou négatif, le nombre de protons et d’électrons est donné par :

Calcul du nombre total d’électrons de valence dans les ions polyatomiques

En plus de se distinguer par leur charge, les ions peuvent également différer par le nombre d’atomes qui les composent. Les sections précédentes correspondent aux cations et aux anions formés par un seul atome. Autrement dit, l’équation ci-dessus ne s’applique qu’aux ions monoatomiques (bien qu’elle puisse être adaptée à d’autres types d’ions).

Cependant, il existe également une grande variété de cations et d’anions moléculaires, composés de deux atomes ou plus liés entre eux par des liaisons covalentes. Dans ces cas, il est important de déterminer le nombre d’électrons dans ce type d’ions car cette information nous permet de construire les structures de Lewis desdits ions, donnant ainsi des informations sur les types de liaisons qui se forment et la géométrie moléculaire autour de la centrale atome ou atomes centraux, s’il y en a plus d’un.

Cependant, dans ces cas, il n’est pas si important de connaître le nombre total d’électrons dans tous les atomes, mais plutôt le nombre total d’électrons de valence, sans compter aucun des électrons internes des atomes qui composent l’ion.

Dans ce cas, la formule du nombre d’électrons est modifiée comme suit :

Où n _e-Valence est le nombre total d’électrons de valence dans l’ion, #eV _i représente le nombre d’électrons de valence dans l’élément i , n _i est le nombre d’atomes de l’élément i présents dans l’ion, et q _ion est, à nouveau , la charge de l’ion avec son signe respectif. Le nombre d’électrons de valence d’un élément peut être déterminé soit au moyen de la configuration électronique, soit en regardant le groupe dans lequel il se trouve dans le tableau périodique (principalement dans le cas d’éléments représentatifs).

Exemples de calcul de protons et d’électrons d’ions monoatomiques

Exemple #1 : Protons et électrons du cation ferrique

Le cation ferrique correspond à l’ion Fe ³⁺ , un ion monoatomique à noyau de fer. D’après le tableau périodique, nous obtenons que le numéro atomique du fer est 26 (Z = 26) et, comme nous pouvons le voir, l’ion a trois charges positives ( q = +3 ). Par conséquent, le nombre de protons et d’électrons dans le cation ferrique est :

Exemple #2 : Protons et électrons de l’anion sulfure

L’anion sulfure correspond à l’ion S ^2- , un ion monoatomique avec un noyau de soufre et deux charges électriques négatives. Le numéro atomique du soufre est 16 (Z = 16) et, dans ce cas, q = – 2 . Par conséquent, le nombre de protons et d’électrons dans l’anion sulfure est :

Exemples de calcul des électrons de valence des ions polyatomiques

Exemple #3 : Électrons de Valence du cation ammonium (NH ₄ ⁺ )

Le cation ammonium est composé de 4 atomes d’hydrogène et d’un atome d’azote et a une charge positive de +1. L’ élément hydrogène appartient au groupe 1A du tableau périodique, il a donc 1 électron de valence, tandis que l’azote appartient au groupe 5A, il a donc 5 électrons de valence. En appliquant la formule du nombre d’électrons de valence des ions polyélectrons, nous avons :

Par conséquent, l’ion ammonium a un total de 8 électrons de valence répartis entre ses cinq atomes.

Exemple #4 : Électrons de valence de l’anion nitrate (NO ₃ ^– )

L’anion nitrate est composé d’atomes d’oxygène 3 et d’un atome d’azote et a une charge négative de -1.L’élément oxygène appartient au groupe 6A du tableau périodique, c’est pourquoi il a 6 électrons de valence, alors qu’il a 5 électrons de valence , comme nous l’avons vu dans l’exemple précédent. En appliquant à nouveau la formule, nous avons :

Par conséquent, l’ion nitrate a un total de 24 électrons de valence répartis entre ses quatre atomes.

Les références

Calculer le nombre d’électrons et le nombre de neutrons dans les ions . (2019, 4 septembre). Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=nM7npEf27Do

Miralles, A. (2009, 4 août). Protons, neutrons et électrons. isotopes. Ions 02 – Le Crapaud Sage . Le crapaud sage. https://www.elsaposabio.com/quimica/?p=780

REPRÉSENTATION DES IONS . (sd). 3° Cela. http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/el_atomo/iones.htm?4&1

wikiHow. (2019, 5 janvier). Comment trouver le nombre de protons, de neutrons et d’électrons . https://en.wikihow.com/find-the-n%C3%BAmer-of-protons,-neutrons-and-electrons