Chapitre 2 – Classification périodique et ions

Première Bac Pro (Grpt 5) | Physique-Chimie | Chimie – Atomes, ions et molécules

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Objectifs du chapitre

Rappeler la structure de l'atome (noyau, électrons)
Connaître l'organisation de la classification périodique des éléments
Utiliser la position d'un élément pour déterminer l'ion monoatomique qu'il forme
Distinguer cation et anion
Connaître les formules brutes de molécules courantes

Situation professionnelle

Amina, apprentie en topographie, accompagne son équipe sur un chantier de rénovation urbaine. Le bureau d'études a demandé une analyse des sols pour vérifier la présence éventuelle de métaux lourds (plomb, cuivre, zinc) avant la construction d'une crèche.

Le rapport du laboratoire indique la présence d'ions plomb Pb²⁺ et d'ions cuivre Cu²⁺ dans les échantillons de terre. Le chef de chantier demande à Amina :

Que signifient ces notations « Pb²⁺ » et « Cu²⁺ » ?
D'où viennent ces ions ? Quel lien avec les atomes de plomb et de cuivre ?
Comment la classification périodique aide-t-elle à comprendre le comportement de ces éléments ?

Ce chapitre vous donnera les bases pour répondre à ces questions.

1. Rappels sur la structure de l'atome

1.1 Composition de l'atome

Définition Un atome est constitué d'un noyau central, très petit et très dense, entouré d'un nuage d'électrons en mouvement.

Le noyau contient deux types de particules :

Particule	Charge	Localisation
Proton	positive (+)	noyau
Neutron	aucune (neutre)	noyau
Électron	négative (−)	autour du noyau

Le noyau (protons + et neutrons) est entouré d'électrons (−) répartis sur des couches.

1.2 Numéro atomique Z

Définition Le numéro atomique \(Z\) d'un atome est le nombre de protons dans son noyau. C'est ce nombre qui définit l'élément chimique.

Exemples :

L'hydrogène a \(Z = 1\) : 1 proton
Le carbone a \(Z = 6\) : 6 protons
Le fer a \(Z = 26\) : 26 protons

1.3 Électrons et neutralité

Propriété Un atome est électriquement neutre : il possède autant d'électrons (charges −) que de protons (charges +).

Ainsi, un atome de carbone (\(Z = 6\)) possède 6 protons et 6 électrons.

Attention Ne pas confondre le numéro atomique \(Z\) (nombre de protons) avec le nombre de masse \(A\) (nombre total de protons + neutrons). Ce sont deux grandeurs différentes.

Mini-exercice 1

L'atome d'aluminium a pour numéro atomique \(Z = 13\). Combien possède-t-il de protons ? D'électrons ? Quelle est sa charge électrique globale ?

2. La classification périodique des éléments

2.1 Organisation du tableau

Définition La classification périodique (ou tableau de Mendeleïev) est un tableau qui classe tous les éléments chimiques connus par numéro atomique \(Z\) croissant. Les éléments sont organisés en lignes (périodes) et en colonnes (familles ou groupes).

Les règles d'organisation sont les suivantes :

Les éléments sont rangés par numéro atomique croissant, de gauche à droite et de haut en bas.
Chaque ligne (période) correspond à une couche électronique supplémentaire.
Chaque colonne (groupe) regroupe des éléments ayant des propriétés chimiques similaires.

2.2 Familles importantes

Colonne	Famille	Exemples	Propriétés
1	Alcalins	Li, Na, K	Métaux mous, très réactifs, forment des ions +1
2	Alcalino-terreux	Mg, Ca, Ba	Métaux réactifs, forment des ions +2
17	Halogènes	F, Cl, Br, I	Non-métaux réactifs, forment des ions −1
18	Gaz nobles	He, Ne, Ar	Très stables, ne forment pas d'ions

À retenir : Les éléments d'une même colonne ont des propriétés chimiques similaires. C'est la grande force de la classification périodique : elle permet de prévoir le comportement d'un élément d'après sa position.

2.3 Métaux et non-métaux

La classification périodique sépare les éléments en deux grandes catégories :

Les métaux (à gauche et au centre du tableau) : conducteurs d'électricité, brillants, malléables. Exemples : fer, cuivre, aluminium, zinc, or.
Les non-métaux (à droite du tableau) : isolants ou semi-conducteurs. Exemples : carbone, azote, oxygène, chlore, soufre.

Application en construction : les métaux les plus utilisés sur les chantiers (acier = fer + carbone, aluminium, cuivre) sont tous situés dans la partie gauche et centrale du tableau périodique. Leurs propriétés (résistance, conductivité, malléabilité) s'expliquent par leur nature métallique.

3. Les ions monoatomiques

3.1 Formation d'un ion

Définition Un ion monoatomique est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Il porte alors une charge électrique.

Lorsqu'un atome :

perd des électrons : il devient chargé positivement → c'est un cation (ion positif)
gagne des électrons : il devient chargé négativement → c'est un anion (ion négatif)

Attention C'est toujours un transfert d'électrons qui crée un ion. Le noyau (protons + neutrons) ne change jamais lors de la formation d'un ion. Le nombre de protons reste identique à celui de l'atome de départ.

Le noyau (rouge/vert) ne change jamais : seul le nombre d'électrons varie. Perdre un e⁻ → ion positif ; gagner un e⁻ → ion négatif.

3.2 Cations : les métaux perdent des électrons

Propriété Les métaux (colonnes 1, 2, 3... du tableau) ont tendance à perdre des électrons pour former des cations (ions positifs). Le nombre d'électrons perdus correspond souvent au numéro de la colonne (pour les colonnes 1 et 2).

Atome	Colonne	Électrons perdus	Ion formé	Nom de l'ion
Sodium (Na)	1	1	Na⁺	Ion sodium
Potassium (K)	1	1	K⁺	Ion potassium
Magnésium (Mg)	2	2	Mg²⁺	Ion magnésium
Calcium (Ca)	2	2	Ca²⁺	Ion calcium
Aluminium (Al)	13	3	Al³⁺	Ion aluminium
Fer (Fe)	8	2 ou 3	Fe²⁺ ou Fe³⁺	Ion fer (II) ou fer (III)
Cuivre (Cu)	11	2	Cu²⁺	Ion cuivre (II)
Zinc (Zn)	12	2	Zn²⁺	Ion zinc

Attention — les métaux de transition sont des exceptions La règle « charge = numéro de colonne » ne vaut que pour les colonnes 1, 2 et 13. Pour les métaux de transition (bloc central : Fe, Cu, Zn…), la charge de l'ion ne se déduit pas de la colonne et doit être connue ou donnée : par exemple le fer (colonne 8) forme Fe²⁺ ou Fe³⁺, le cuivre (colonne 11) forme Cu²⁺. À ton niveau, ces charges sont fournies dans l'énoncé.

Exemple 1 : L'atome de sodium (Na, \(Z = 11\)) possède 11 protons et 11 électrons. En perdant 1 électron, il forme l'ion Na⁺ qui possède 11 protons et 10 électrons. La charge totale est \(+11 + (-10) = +1\).

3.3 Anions : les non-métaux gagnent des électrons

Propriété Les non-métaux (colonnes 16, 17 du tableau) ont tendance à gagner des électrons pour former des anions (ions négatifs). Le nombre d'électrons gagnés permet d'atteindre la configuration du gaz noble le plus proche.

Atome	Colonne	Électrons gagnés	Ion formé	Nom de l'ion
Fluor (F)	17	1	F⁻	Ion fluorure
Chlore (Cl)	17	1	Cl⁻	Ion chlorure
Brome (Br)	17	1	Br⁻	Ion bromure
Oxygène (O)	16	2	O²⁻	Ion oxyde
Soufre (S)	16	2	S²⁻	Ion sulfure

Exemple 2 : L'atome de chlore (Cl, \(Z = 17\)) possède 17 protons et 17 électrons. En gagnant 1 électron, il forme l'ion Cl⁻ qui possède 17 protons et 18 électrons. La charge totale est \(+17 + (-18) = -1\).

Méthode Déterminer l'ion formé à partir de la position dans le tableau

Repérer la colonne de l'élément dans le tableau périodique.
Si l'élément est un métal (colonnes 1, 2, 13) : il perd des électrons → cation.
- Colonne 1 → perd 1 e⁻ → charge +1
- Colonne 2 → perd 2 e⁻ → charge +2
- Colonne 13 → perd 3 e⁻ → charge +3
Si l'élément est un non-métal (colonnes 16, 17) : il gagne des électrons → anion.
- Colonne 17 → gagne 1 e⁻ → charge −1
- Colonne 16 → gagne 2 e⁻ → charge −2
Les gaz nobles (colonne 18) ne forment pas d'ions : ils sont déjà stables.

Mini-exercice 2

Le magnésium (Mg) est en colonne 2. Quel ion forme-t-il ? Écris sa formule. Même question pour le chlore (Cl), en colonne 17.

À retenir : Les atomes forment des ions pour atteindre la configuration électronique stable du gaz noble le plus proche. C'est la règle de l'octet (8 électrons sur la couche externe) ou du duet (2 électrons pour la première couche).

4. Molécules et formules brutes

4.1 Qu'est-ce qu'une molécule ?

Définition Une molécule est un assemblage d'atomes liés entre eux par des liaisons covalentes (mise en commun d'électrons). La formule brute indique la nature et le nombre de chaque type d'atome dans la molécule.

4.2 Molécules courantes à connaître

Nom	Formule brute	Composition	Usage / Présence
Eau	H₂O	2 atomes H + 1 atome O	Solvant universel, vie courante
Dihydrogène	H₂	2 atomes H	Gaz combustible, pile à hydrogène
Dioxygène	O₂	2 atomes O	Respiration, combustion
Diazote	N₂	2 atomes N	78 % de l'air, inerte
Dioxyde de carbone	CO₂	1 atome C + 2 atomes O	Gaz à effet de serre, respiration
Méthane	CH₄	1 atome C + 4 atomes H	Gaz naturel, chauffage

Attention Ne pas confondre un atome isolé (ex : O), une molécule (ex : O₂) et un ion (ex : O²⁻). L'oxygène existe dans l'air sous forme de molécule O₂ (deux atomes liés), pas sous forme d'atome isolé.

4.3 Lire une formule brute

Méthode Interpréter une formule brute

Dans la formule CH₄ :

C = symbole du carbone → 1 atome de carbone (quand il n'y a pas de chiffre, c'est 1).
H₄ = symbole de l'hydrogène avec l'indice 4 → 4 atomes d'hydrogène.

La molécule de méthane contient donc 5 atomes au total : 1 C + 4 H.

Exemple 3 : Combien d'atomes contient une molécule de dioxyde de carbone CO₂ ?

CO₂ = 1 atome de carbone + 2 atomes d'oxygène = 3 atomes au total.

Mini-exercice 3

On donne la formule brute du glucose : C₆H₁₂O₆. Indique le nombre d'atomes de chaque élément, puis le nombre total d'atomes dans la molécule.

5. Applications professionnelles

Matériaux de construction et classification périodique :

Sur un chantier, on utilise quotidiennement des éléments du tableau périodique :

Le fer (Fe, \(Z = 26\)) : élément principal de l'acier, utilisé dans les armatures du béton armé, les poutrelles et les charpentes métalliques.
L'aluminium (Al, \(Z = 13\)) : léger et résistant à la corrosion, utilisé pour les menuiseries (fenêtres, portes), les bardages et les gouttières.
Le cuivre (Cu, \(Z = 29\)) : excellent conducteur électrique et thermique, utilisé pour les fils électriques et les canalisations d'eau.
Le zinc (Zn, \(Z = 30\)) : utilisé pour protéger l'acier de la corrosion (galvanisation) et pour les couvertures de toiture.

Ions dans l'environnement :

Les analyses de sols et d'eau de chantier recherchent des ions métalliques potentiellement polluants :

Ions plomb Pb²⁺ : toxiques, provenant d'anciennes peintures ou canalisations en plomb.
Ions cuivre Cu²⁺ : peuvent contaminer les sols autour des anciennes installations industrielles.
Ions chlorure Cl⁻ : présents dans l'eau de mer, ils accélèrent la corrosion des armatures métalliques dans le béton.

Comprendre la nature des ions aide à interpréter les résultats d'analyses et à choisir les mesures de dépollution adaptées.

Topographie et métrologie :

Les instruments de mesure topographique contiennent des matériaux choisis pour leurs propriétés liées à leur place dans le tableau périodique : le verre optique (à base de silicium, \(Z = 14\)), les prismes, les mires en aluminium, et les composants électroniques à base de semi-conducteurs (silicium, germanium).

6. Erreurs fréquentes

Erreur 1 Croire que c'est le noyau qui change quand on forme un ion

Non : un ion se forme uniquement par gain ou perte d'électrons. Le nombre de protons (donc l'élément) ne change jamais. ✅ Conseil : Na et Na⁺ ont les mêmes 11 protons, seul le nombre d'électrons diffère.

Erreur 2 Appliquer « charge = numéro de colonne » aux métaux de transition

Cette règle ne marche que pour les colonnes 1, 2 et 13. Le fer (colonne 8) ne forme pas Fe⁸⁺ mais Fe²⁺ ou Fe³⁺. ✅ Conseil : pour Fe, Cu, Zn, la charge est donnée dans l'énoncé.

Erreur 3 Confondre cation et anion

Un cation est positif (l'atome a perdu des électrons), un anion est négatif (l'atome a gagné des électrons). ✅ Conseil : « anion » et « négatif »… pense « a‑n‑ion = négatif ».

Erreur 4 Confondre atome, molécule et ion

O (atome), O₂ (molécule, deux atomes liés) et O²⁻ (ion oxyde, atome chargé) sont trois objets différents. ✅ Conseil : un indice (₂) = molécule ; une charge (²⁻) = ion.

7. L'essentiel du chapitre

Ce qu'il faut retenir :

L'atome est constitué d'un noyau (protons + neutrons) et d'électrons. Le numéro atomique \(Z\) = nombre de protons.
La classification périodique classe les éléments par \(Z\) croissant. Les éléments d'une même colonne ont des propriétés similaires.
Un cation est un atome qui a perdu des électrons (charge +). Les métaux forment des cations.
Un anion est un atome qui a gagné des électrons (charge −). Les non-métaux forment des anions.
La position dans le tableau permet de prévoir l'ion formé (colonne 1 → +1, colonne 2 → +2, colonne 17 → −1, colonne 16 → −2).
Les formules brutes des molécules courantes sont : H₂O, H₂, O₂, N₂, CO₂, CH₄.