Un ion est une particule chargée électriquement qui se forme lorsqu'un atome ou une molécule gagne ou perd un ou plusieurs électrons. Les atomes ont généralement un nombre égal d'électrons et de protons, ce qui les rend électriquement neutres. Cependant, lorsqu'un atome gagne ou perd des électrons, il acquiert une charge nette positive ou négative, devenant un ion.
Si un atome perd des électrons, il devient un ion chargé positivement, appelé cation. D'autre part, si un atome gagne des électrons, il devient un ion chargé négativement, appelé anion.
Les cations et les anions sont représentés par le symbole de l'atome correspondant et le caractère "+" (cations) ou "-" (anions).
Types d'ions : cations et anions
Il existe différents types d'ions en fonction de la charge électrique qu'ils possèdent. Les deux types principaux sont :
Les cations
Les cations sont des ions avec une charge positive due à la perte d'électrons, c'est pourquoi ils sont plus petits. Les cations les plus courants sont ceux formés à partir des métaux alcalins et alcalino-terreux du tableau périodique.
Voici quelques exemples de cations :
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Ion sodium (Na+)
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Ion potassium (K+)
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Ion calcium (Ca2+)
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Ion magnésium (Mg2+)
Les anions
Les anions sont des ions chargés négativement en raison du gain d'électrons, c'est pourquoi ils sont plus gros et plus lourds. Les anions les plus courants sont ceux formés à partir de non-métaux du tableau périodique.
Voici quelques exemples d'anions :
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Ion chlorure (Cl-)
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Ion sulfate (SO42-)
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Ion nitrate (NO3-)
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Ion hydroxyde (OH-)
Les ions polyatomiques
En plus de ceux-ci, il existe d'autres types d'ions plus spécifiques, tels que les ions polyatomiques, qui sont des molécules chargées électriquement composées de plusieurs atomes. Certains exemples sont:
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Ion carbonate (CO32-)
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Ion ammonium (NH4+)
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Ion sulfate (SO42-)
Relation avec les cellules galvaniques
Dans un système électrochimique, tel qu'une pile ou une batterie, des réactions d'oxydation et de réduction se produisent à l'anode et à la cathode.
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Anode : C'est l'électrode où se produit l'oxydation, c'est-à-dire où les atomes ou les molécules perdent des électrons pour devenir des ions positifs (cations). Par conséquent, l'anode est associée à la génération d'ions positifs.
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Cathode : C'est l'électrode où se produit la réduction, c'est-à-dire où les ions positifs (cations) gagnent des électrons pour devenir des atomes ou des molécules neutres. Par conséquent, la cathode est liée à la réduction des ions positifs.
Dans une cellule électrochimique, les ions circulent de l'anode à la cathode à travers un milieu conducteur, tandis que les électrons circulent dans le sens opposé, de l'anode à la cathode à travers un circuit externe.
Cela permet la circulation du courant électrique dans le système électrochimique.
Comment les ions sont-ils générés ?
Les ions sont générés par différents processus, qui peuvent être :
Ionisation par transfert d'électrons
Ce processus se produit lorsqu'un atome gagne ou perd des électrons pour former un ion chargé électriquement. Si un atome gagne des électrons, un ion négatif (anion) se forme, et s'il perd des électrons, un ion positif (cation) se forme. Le transfert d'électrons peut se produire lors de réactions chimiques ou par interaction avec des champs électriques externes.
Ionisation par dissociation
Ce processus se produit lorsqu'une molécule se dissocie en ions en se séparant en ions chargés électriquement dans une solution aqueuse ou à l'état gazeux. Par exemple, lorsque le chlorure de sodium (NaCl) se dissout dans l'eau, il se sépare en ions sodium (Na+) et chlorure (Cl-).
Ionisation par rayonnement
Le rayonnement électromagnétique ou les particules chargées peuvent ioniser des atomes ou des molécules en leur transférant suffisamment d'énergie pour éliminer un ou plusieurs électrons. Ce processus se produit, par exemple, dans l'ionosphère terrestre, où le rayonnement solaire ionise les atomes et les molécules de la haute atmosphère.
Température d'ionisation
À des températures élevées, les atomes peuvent acquérir suffisamment d'énergie thermique pour libérer des électrons et former des ions. Ce processus est observé dans les flammes, les arcs électriques et les plasmas, où les atomes s'ionisent en raison de la forte énergie thermique présente.
L'énergie d'ionisation
L'énergie d'ionisation est l'énergie nécessaire pour éliminer les électrons d'un atome. Aussi appelé potentiel d'ionisation.
Le phénomène par lequel le nombre d'électrons dans un atome change est appelé ionisation. L'ionisation se produit en appliquant une énergie élevée aux atomes sous forme de potentiel électrique ou de rayonnement.
Pour les atomes individuels dans le vide, il existe une constante physique associée au processus d'ionisation. Les liaisons chimiques locales, la géométrie et la température influencent l'ionisation.
La première énergie d'ionisation est l'énergie nécessaire pour éliminer un électron.
La seconde est nécessaire pour éliminer deux électrons. Les énergies d'ionisation résultantes sont toujours relativement plus élevées que les précédentes.