Charge et formule de l’ion aluminium

La charge d’un ion aluminium est généralement de 3+. Cela est dû au fait que le numéro atomique de l’élément est 13, ce qui reflète le fait qu’il possède 13 électrons et 13 protons. La coquille de valence de l’aluminium possède trois électrons, et selon la règle de l’octuor, ces trois électrons sont perdus, ce qui donne seulement 10 électrons et 13 protons. L’aluminium a alors trois protons en excès, de sorte que la charge d’un ion aluminium de base est 3+.

Voilà la réponse rapide concernant la façon dont la charge de l’aluminium est 3+. Pourtant, pour mieux comprendre la relation entre les ions, l’ionisation et les différents éléments, il faut examiner de plus près les ions positifs et négatifs.

ADVERTISSEMENT

Faits sur l’aluminium

« L’aluminium a été appelé le nutriment de durabilité du monde, et pour une bonne raison. Songez que 75 % de tout l’aluminium fabriqué depuis 1886 est encore utilisé.  » – William J. O’Rourke

L’aluminium est un métal mou du groupe du bore dans le tableau périodique des éléments. Il est représenté par le symbole « Al » et il a le numéro atomique 13. L’aluminium est un élément extrêmement abondant, en fait, c’est l’élément métallique le plus abondant dans la croûte terrestre. Avec le fer, l’aluminium est le métal le plus couramment utilisé. Au cours de l’année 2016, la production mondiale d’aluminium était d’environ 59 millions de tonnes métriques. L’aluminium est utilisé à des fins très diverses, notamment pour la création de véhicules, de batteries et de matériaux d’emballage, ainsi que pour la construction de bâtiments et la création d’ustensiles de cuisine.

La structure d’un atome

Photo : geralt via , CC0

Les atomes sont constitués de trois parties fondamentales, séparées en deux régions distinctes. Les neutrons, les électrons et les protons sont les trois parties constitutives d’un atome. Les protons sont des particules subatomiques chargées positivement, tandis que les neutrons sont des particules subatomiques qui n’ont pas de charge. Les neutrons et les protons ont des masses à peu près égales. Les neutrons pèsent environ 1,67 x 10-24 grammes.

La première région de l’atome est le noyau, le centre de l’atome. Le noyau est composé de neutrons et de protons. À l’extérieur du noyau se trouve la région orbitale, composée d’électrons qui gravitent autour du noyau. Les parties les plus externes de l’atome sont appelées les enveloppes électroniques. Ces coquilles électroniques maintiennent les électrons en orbite et un atome peut avoir plusieurs coquilles électroniques.

ADVERTISSEMENT

Les atomes ont différentes propriétés basées sur la façon dont les particules constitutives simples sont disposées. Le numéro atomique d’un élément est basé sur le nombre de protons que possède un atome de cet élément. Si l’atome d’un élément est neutre, cela signifie qu’il possède le même nombre d’électrons et de protons. Le nombre de neutrons que possède un élément définit les isotopes de cet élément. Les isotopes sont simplement différentes variantes des atomes de l’élément premier, ne différant que par le nombre de neutrons que possède l’atome.

« Conquérir la matière, c’est la comprendre, et comprendre la matière est nécessaire à la compréhension de l’univers et de nous-mêmes ; et que donc le tableau périodique de Mendeleïev, que justement pendant ces semaines nous apprenions à démêler, était de la poésie. » – Primo Levi

Ensemble, le nombre de masse de l’élément est déterminé par le nombre de protons et de neutrons dans un atome de l’élément. Les isotopes d’un élément ont des numéros de masse légèrement différents car ils diffèrent par leur nombre de neutrons. La masse atomique d’un élément est déterminée en prenant la moyenne des numéros de masse des différents isotopes d’un élément. Alors que les isotopes sont des formes d’éléments qui diffèrent en raison du nombre différent de neutrons dans les noyaux, les ions sont des atomes qui ont une charge électrique nette parce que l’atome de base de l’élément a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.

Définition d’un ion

Les ions sont des molécules ou des atomes qui ont perdu ou gagné un ou plusieurs électrons de leur coquille de valence, ce qui finit par leur donner une charge électrique nette négative ou positive. Pour le dire autrement, les ions ont un nombre déséquilibré d’électrons et de protons dans une espèce chimique. Le terme ion a été initialement inventé par le chimiste anglais Michael Faraday pour décrire les produits chimiques qui se déplacent d’une électrode à une autre.

Ions négatifs et positifs

Montre comment un atome d’hélium contient un seul proton et un seul électron, et comment il peut devenir un cation ou un anion. Photo : Par Jkwchui – Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12617370

Les atomes purs n’ont pas de charge électrique, et cela est dû au fait que les atomes possèdent un nombre égal d’électrons et de protons. Les électrons ont une charge négative, tandis que les protons sont des particules subatomiques ayant une charge positive. Cependant, dans certaines situations et interactions chimiques, les atomes peuvent perdre un électron ou en gagner un, ce qui affecte leur charge nette. Dans ce cas, les atomes dont la charge nette est affectée deviennent des ions.

ADVERTISSEMENT

À titre d’exemple, un atome d’aluminium a un numéro atomique de 13, reflétant le fait qu’il possède 13 protons. Chaque proton a une charge positive, et comme la plupart des atomes sont neutres, il s’ensuit que pour chaque proton qu’il y a un électron, pour 13 électrons et 13 protons. C’est le cas de tous les atomes d’aluminium. Les métaux sont capables de former des ions en perdant des électrons, et c’est vrai de l’aluminium qui peut perdre trois électrons.

Si le résultat d’un changement de charge produit un ion positif, l’ion est appelé cation. Les cations sont désignés par l’élément qui les compose, donc dans ce cas, il y a un cation aluminium.

Dans l’exemple particulier de l’aluminium, celui-ci avait une charge initiale de zéro, grâce aux 13 électrons et aux 13 protons qui s’annulent. Lorsqu’un atome d’aluminium devient un ion, il perd trois électrons. Comme il n’y a que 10 électrons, leur valeur est soustraite du nombre de protons, et la différence est un trois positif. Par conséquent, un ion d’aluminium a une charge positive de trois, indiquée par 3+. Dans certains livres de chimie, le symbole « + » peut être placé avant le nombre plutôt qu’après. La version cationique de l’aluminium peut également être affichée avec un signe plus et un nombre en exposant : Al+3 ou Al3+.

Pour ce qui est des ions chargés négativement, on les appelle des anions. Les anions sont le résultat d’un changement de charge qui laisse une charge négative globale. Comme vous pouvez vous y attendre, la représentation d’un anion se fait avec un signe négatif au lieu du signe positif du cation. Par exemple, Cl- est un anion de chlore créé lorsque le chlore prend un autre électron, ce qui lui donne une charge nette de -1. Contrairement aux cations, qui sont simplement appelés cations des éléments respectifs, les anions ont un système de dénomination spécial (ainsi, un anion de chlore n’est pas appelé ion de chlore).

« La poudre est l’élément le plus lourd du tableau périodique. Même une toute petite particule de cet élément arrête le temps. » – Diane Ackerman

Si un ion est constitué d’un seul élément, on le désigne en ajoutant le suffixe « -ide » au nom de l’élément, ainsi un anion de chlore devient chlorure, et un ion de carbone et d’azote ou CN- devient cyanure. Dans la plupart des cas, le suffixe « -ide » est suffisant. Toutefois, s’il existe des ions constitués de plusieurs éléments (appelés anions polyatomiques) ou des anions contenant de l’oxygène, d’autres suffixes et préfixes sont nécessaires. Le suffixe « -ate » est appliqué aux oxyanions qui contiennent le nombre typique d’atomes d’oxygène. Pendant ce temps, le suffixe « -ite » est appliqué aux oxyanions qui ont un oxygène de moins que la norme.

Pour les oxyanions qui ont deux oxygènes de moins que la norme, tout en ayant une charge minimale, l’élément base est annexé au milieu d’un préfixe « -hypo » et d’un suffixe « -ite ». En revanche, pour les oxyanions qui ont un atome d’oxygène de plus que la norme, tout en ayant une charge normale, le préfixe « -hypo » est apposé ainsi que le suffixe « -ite ». Enfin, les anions dont le soufre remplace l’oxygène reçoivent le préfixe « thio-« .

Les tendances de l’énergie d’ionisation des éléments du tableau périodique. Photo : Par Sponk (fichier PNG)Glrx (fichier SVG)Wylve (zh-Hans, zh-Hant)Palosirkka (fi)Michel Djerzinski (vi)TFerenczy (cz)Obsuser (sr-EC, sr-EL, hr, bs, sh)DePiep (éléments 104-108)Bob Saint Clar (fr)Shizhao (zh-Hans)Wiki LIC (es)Agung karjono (id)Szaszicska (hu) – Travail personnel basé sur : Erste Ionisierungsenergie PSE color coded.png by Sponk., CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=24696016

Les différents éléments sont capables de donner naissance à des ions de plusieurs manières différentes, ce qui n’est pas surprenant si l’on considère le nombre de familles différentes sur le tableau périodique des éléments. Cependant, comme il est possible de regrouper ces nombreux éléments en familles (en fonction du groupe ou de la colonne dans lesquels ils se trouvent sur le tableau périodique), il est possible de prédire la manière dont ces éléments vont créer des ions. Quelques heuristiques peuvent être utilisées pour prédire la création d’ions.

En général, les métaux alcalins, ceux que l’on trouve dans le groupe un du tableau périodique créent des ions 1+ lorsqu’ils s’ionisent. À titre d’exemple, Li+ est l’ion du lithium. Les métaux alcalino-terreux, ceux que l’on trouve dans le groupe 2 du tableau périodique, s’ionisent en cations 2+. Le béryllium produit des ions Be 2+. La plupart des métaux du groupe 3 du tableau périodique, comme l’indium, le gallium et l’aluminium, s’ionisent pour former des cations 3+. Le cation aluminium, comme on l’a vu ci-dessus, est défini comme Al 3+. Les métalloïdes du groupe 6 et les non-métaux tels que l’oxygène, le tellure, le sélénium et le soufre produisent des anions 2 lorsqu’ils s’ionisent. Par exemple, l’état stable et ionisé de l’oxygène est donné par O2-. Les éléments du groupe 7 du tableau périodique produisent des anions de -1 lorsqu’ils s’ionisent. Pour cette raison, l’anion du fluor serait donné comme Fl-.

Les métaux purs, c’est-à-dire les métaux non de transition, finiront toujours par former des cations ou des ions positifs. En fait, l’un des traits caractéristiques des métaux est que ceux-ci ont tendance à se délester de leurs électrons. En revanche, les métaux de transition ou les métalloïdes peuvent former des ions avec diverses intensités de charge, et la classification des nombreuses façons dont ces cations sont formés est plus complexe que celle des métaux purs.

Alors que les métaux forment généralement des cations, les non-métaux gagnent généralement des électrons et forment des anions. De la même façon que les métaux perdent des électrons, une propriété déterminante des non-métaux est qu’ils gagnent souvent des électrons. Les raisons pour lesquelles ces métaux et non-métaux gagnent ou perdent des électrons sont liées à un certain nombre de facteurs complexes. Parmi les facteurs qui influencent l’ionisation des éléments, citons le nombre d’électrons de valence que possède chaque atome et la règle de l’octuple de la liaison chimique.