Qu'est-ce qu'un ion ? L'atome qui a perdu ou gagné des électrons

Le mot est partout : sur l’étiquette d’une eau minérale, dans le nom des batteries lithium-ion, dans les manuels du lycée. Il désigne pourtant une idée simple, qui explique à elle seule pourquoi le sel de cuisine forme des cristaux, pourquoi l’eau salée conduit le courant alors que l’eau pure le conduit si mal, et ce qui s’illumine dans le sillage d’une étoile filante. Voici ce qu’est un ion, comment savoir d’avance quel élément en forme lesquels, et comment les chimistes ont fini par l’admettre.

Un atome dont les charges ne s’équilibrent plus

Un atome est électriquement neutre : les charges positives des protons de son noyau sont exactement compensées par celles, négatives, de ses électrons. Mais les électrons les plus extérieurs sont peu retenus, et un atome peut en céder ou en capter. Il porte alors une charge électrique nette : c’est un ion.

Deux cas se présentent. Un atome qui perd un ou plusieurs électrons se retrouve avec un excès de charges positives : c’est un cation. On le note avec un « + » en exposant, comme Na⁺ pour le sodium, ou Ca²⁺ pour un calcium qui a perdu deux électrons. Un atome qui en gagne devient un anion, chargé négativement : Cl⁻ pour le chlore, O²⁻ pour l’oxygène. Le noyau, lui, ne change pas : le sodium reste du sodium, avec ses onze protons.

Un ion peut aussi être fait de plusieurs atomes liés entre eux qui portent ensemble une charge. Ces ions polyatomiques sont très courants : hydrogénocarbonate HCO₃⁻, sulfate SO₄²⁻, nitrate NO₃⁻, ammonium NH₄⁺. Les noms qui s’alignent sur l’étiquette d’une eau minérale, calcium, magnésium, sulfates, bicarbonates, sont tous des ions dissous.

Qui perd, qui gagne : le tableau périodique le dit

Pas besoin d’apprendre par cœur la charge de chaque ion : il suffit de regarder la colonne de l’élément dans le tableau périodique des éléments. Les atomes tendent à atteindre la configuration très stable des gaz nobles de la colonne 18, dont la couche externe d’électrons est complète.

Les métaux alcalins de la colonne 1, lithium, sodium, potassium, n’ont qu’un électron externe : le céder leur coûte peu, et ils forment des ions 1+. Ceux de la colonne 2, magnésium, calcium, en cèdent deux. À l’autre bout, les halogènes de la colonne 17, fluor, chlore, iode, n’ont besoin que d’un électron pour compléter leur couche : ils en captent un et deviennent des ions 1−. L’oxygène, dans la colonne 16, en capte deux. La règle a ses exceptions, en particulier chez les métaux de transition comme le fer, qui forme des ions 2+ ou 3+ selon les circonstances, mais elle suffit à prévoir l’essentiel.

Placez un sodium face à un chlore, et le premier cède son électron au second. Les deux ions de charges opposées s’attirent fortement : c’est la liaison ionique. Un grain de sel de cuisine n’est pas fait de « molécules de chlorure de sodium », mais d’un empilement régulier d’ions Na⁺ et Cl⁻ alternés, ce qui lui donne sa forme de petit cube.

Le sel, l’eau et le courant électrique

Jetez ce sel dans l’eau : les molécules d’eau entourent les ions et les détachent du cristal un à un. Les ions dispersés dans la solution peuvent alors se déplacer, et un courant électrique passe. Plongez deux électrodes reliées à une pile : les cations migrent vers l’une, les anions vers l’autre. C’est de ce mouvement que vient leur nom. En 1834, Michael Faraday, qui étudie l’électrolyse, cherche des mots pour désigner ces espèces en marche ; le savant William Whewell lui suggère, raconte la Linda Hall Library, les termes d’anode, de cathode et d’ion, du grec pour « qui va ».

Restait à comprendre d’où venaient ces ions. En 1884, un jeune Suédois, Svante Arrhenius, soutient à Uppsala une thèse sur la conductivité des solutions : il y avance que les sels dissous dans l’eau se séparent spontanément, à des degrés divers, en ions positifs et négatifs. La faculté d’Uppsala n’en saisit pas la portée, rappelle la biographie publiée par la Fondation Nobel. Elle lui vaut pourtant le prix Nobel de chimie en 1903, « en reconnaissance des services extraordinaires » rendus par sa théorie de la dissociation électrolytique.

Des ions jusqu’en haut de l’atmosphère

Les ions ne vivent pas que dans l’eau. L’air que nous respirons, fait de molécules neutres d’azote et d’oxygène, celles-là mêmes qui expliquent pourquoi le ciel est bleu, n’en contient presque pas, ce qui en fait un bon isolant. Mais il suffit d’une énergie suffisante pour arracher des électrons : c’est exactement ce qui se passe quand un grain de poussière interplanétaire plonge dans l’atmosphère à des dizaines de kilomètres par seconde, et que la traînée d’air ionisé qu’il laisse brille sous forme d’étoile filante.

Pour vous exercer, reprenez l’étiquette d’une eau minérale et classez chaque ion en cation ou en anion d’après sa charge. Une erreur fréquente à éviter : confondre « ion » et « radioactivité ». Un rayonnement dit ionisant est simplement assez énergétique pour arracher des électrons aux atomes qu’il traverse ; le sel de votre cuisine, lui, est fait d’ions parfaitement stables et n’a rien de radioactif.