Ion

Photographie de Michael Faraday en 1860.

Le nom « ion » a été donné en 1834 par Michael Faraday, pour désigner les espèces chimiques responsables de la conductivité électrique dans les solutions. Faraday voulait expliquer le transport du courant dans les solutions d'électrolytes. Ce néologisme sert d'abord à désigner les espèces chimiques migratrices vers l'anode ou la cathode d'une pile ou d'une batterie : il provient simplement du grec iôn, participe présent du verbe ienai, aller. L'Académie des sciences l'enregistre dans la langue française en 1842. Faraday pense que la décomposition ionique est provoquée par le courant électrique. Mais les études ultérieures au voisinage des électrodes montrent des difficultés, en particulier pour comprendre l'apparition des produits de l'electrolyse aux électrodes. Pour garder une cohérence à la théorie, il faut se résoudre à affirmer que les ions apparaissent simplement, lorsque les sels se dissolvent naturellement dans des phases liquides et sont donc présents, antérieurement à toute excitation électrique ou application d'un champ électrique important. L'explication de la dissolution des sels est longtemps restée une énigme : ce sont les physiciens et chimistes pionniers en électrochimie qui, étudiant la conductibilité électrique des solutions, ont soupçonné une possible voie de recherche. Theodor Grotthuss, Rudolf Clausius, Johann Wilhelm Hittorf, Edward Frankland, Wilhelm Ostwald, Svante August Arrhenius sont des partisans de la théorie de l'ionisation en solution.

Dès 1853, Hittorf étudie les variations de concentrations au voisinage des électrodes. Il en conclut que les ions d'une solution migrent avec des vitesses différentes vers les électrodes. Il caractérise les ions par un nombre de transport et affirme que la conductivité est fonction de la réactivité chimique. Clausius démontre en 1857 la validité de la loi d'Ohm pour la solution d'électrolytes et postule l'existence d'ions libres avant toute application du champ électrique. Kohlrausch étudiant les électrolytes forts (entièrement dissociés) démontre que la conductivité limite d'une solution est la somme des mobilités électriques des ions. Les travaux théoriques de Jacobus Henricus van 't Hoff et François-Marie Raoult sur les solutions salines permettent vers 1880 la prise en compte globale de leurs propriétés : osmotiques, tonométriques, cryoscopiques et ébulliométriques.

En 1885, le Suédois Svante August Arrhenius répond à ce « cahier des charges » en proposant une explication théorique, acceptée non sans une profonde résistance durable par une majeure partie de la communauté scientifique, du mécanisme de conduction en solution, théorie pour laquelle il est récompensé plus tard par le prix Nobel de chimie en 1903. Cette théorie qui pose les fondements de la chimie ionique met aussi à l'épreuve : les considérations sur les équilibres, validant ainsi la loi de Guldberg et Waage, et les raisonnements de Marcellin Berthelot sur l'effet thermique des réactions.

Des faisceaux d’ions de haute énergie sont utilisés en physique atomique, physique nucléaire et physique des particules (voir accélérateur de particules). Des faisceaux de basse énergie sont utilisés dans l'analyse des surfaces (voir SIMS).

L'atome d'hydrogène (au centre) est constitué d'un proton et d'un électron. La perte de son électron en fait un cation (à gauche). Le gain d'un électron en fait un anion (à droite).

Puisque la charge électrique d'un proton (+) est égale en intensité à la charge d'un électron (−), la charge électrique de l'ion est égale au nombre de protons moins le nombre d'électrons.

Un anion (−), du grec ἄνω (ánō) qui signifie « vers le haut », est un ion ayant plus d'électrons que de protons, ce lui donne une charge nette négative (car les électrons sont chargés négativement et les protons sont chargés positivement)[4]. Exemples : Cl⁻ pour l'ion chlorure (ou chlorure), Br⁻ pour l'ion bromure (ou bromure).

Un cation (+), du grec κάτω (káto) qui signifie « vers le bas », est un ion ayant moins d'électrons que de protons, ce lui donne une charge nette positive. Exemples : K⁺ pour l'ion potassium, Ca²⁺ pour l'ion calcium.

Il existe d'autres noms pour les ions à charge multiple. Par exemple, un ion avec une charge −2 est connu comme un dianion, et un ion avec une charge +2 est connu comme un dication.

On notera le cas particulier du zwitterion, qui est une molécule neutre avec des charges positives et négatives à différents endroits de la molécule[5].

Les cations et les anions peuvent être classés en fonction de la taille de leur rayon ionique. Les cations sont relativement de petite taille : la plupart d'entre eux ont un rayon de 0,8 × 10⁻¹⁰ m (0,8 Å), tandis que les anions sont généralement plus grands, avec un rayon de 1,3 × 10⁻¹⁰ m (1,3 Å). De ce fait, il est évident que la majorité de l'espace dans les cristaux ioniques est occupé par les anions, avec les cations qui s'insèrent entre eux[6].

Les ions sont caractérisés par :

• la nature de leur charge :
  • cations : ions chargés positivement,
  • anions : ions chargés négativement,
  • zwitterions : molécules neutres mais possédant des charges positives et négatives (acides aminés…) ;
• le nombre d'atomes qui les composent :
  • monoatomiques : ions constitués d’un seul atome,
  • polyatomiques : ions constitués d’au moins deux atomes ;
• leur composition :
  • inorganique,
  • organique ;
• leur dépendance du pH :
  • ions forts : dissociation complète quel que soit le pH :
    • anions : sulfonate, sulfate, halogénures, etc.,
    • cations : ammonium quaternaire, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, etc.,
  • ions faibles : dissociation partielle dépendante du pH :
    • anions : carboxylate…,
    • cations : ammoniums tertiaire, secondaire et primaire, etc.

Un composé ionique est un composé chimique créé par association d'ions.

Dans certains corps moléculaires, certains atomes attirent plus les électrons de liaisons que d'autres. On dit alors que les liaisons entre atomes sont polarisées. Au contact d'un solvant polaire, comme l'eau, les molécules de ces composés, tels l'acide sulfurique, l'ammoniac ou le dioxyde de carbone, se dissocient en ions au cours de la dissolution.

Notations équivalentes pour un atome de fer (Fe) qui a perdu deux électrons, aussi nommé ion ferreux.

Les ions sont notés en tenant compte de la différence entre le nombre de protons et le nombre d'électrons. Par exemple, le sodium perd facilement son électron de valence pour prendre la configuration d'un gaz noble. Lorsqu'il a perdu cet électron, il a un proton de plus que d'électrons : l'ion est noté Na⁺. Le magnésium, qui perd facilement deux électrons, devient l'ion Mg²⁺, etc.

En astronomie, les atomes ionisés sont notés sous la forme « symbole chimique - numération romaine ». Le chiffre romain « I » désigne l'atome neutre, alors que les suivants désignent l'état d'ionisation. Par exemple, l'hydrogène ionisé est ainsi noté « HII » ou « H II ». L'oxygène neutre est noté O I, alors que l'oxygène doublement ionisé est noté O III. Ces notations sont utilisées pour qualifier les régions d'hydrogène ionisé (régions HII ou H II), qui sont des nébuleuses en émission majoritairement composées d'hydrogène ionisé.

Lorsqu'elle concerne des raies d'émission interdites ou semi-interdites, les notations sont entourées d'un ou deux crochets ([ ]). Ainsi, [Fe II] désigne les raies d'émission interdites de la première ionisation du fer, alors que [Ca III] désigne les raies semi-interdites du calcium doublement ionisé.