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Ions polyatomiques

Comment nommer les composés ioniques contenant des ions polyatomiques usuels
Cet article traite des ions polyatomiques. Comme le préfixe poly- signifie "plusieurs", un ion polyatomique est un ion qui est composé de plusieurs atomes. C'est ce qui les différencie des ions monoatomiques qui ne contiennent qu'un seul atome. Parmi les ions monoatomiques, on peut citer, par exemple, Na+, Fe3+, Cl ou bien d'autres. Pour bien comprendre cet article, les connaissances de base sur les ions monoatomiques, la nomenclature et l'écriture des formules des composés ioniques sont des prérequis indispensables.
L'article sur la nomenclature des ions monoatomiques et des composés ioniques permet d'en savoir plus sur ce sujet.
On trouve des ions polyatomiques partout ! La craie est constituée de carbonate de calcium, CaCO3, qui contient à la fois des cations calcium Ca2+ et des anions carbonates CO32 qui sont eux-mêmes des ions polyatomiques. Crédit image : Alice on Flickr, CC BY-NC-ND 2.0

Structure des ions polyatomiques

Pour aborder les ions polyatomiques, on regarde d'abord ce qui les différencie des ions monoatomiques. Un ion monoatomique est un atome qui a été ionisé, c'est-à-dire qui a gagné ou perdu des électrons. Tout ion possède une charge non nulle puisque le nombre total d'électrons n'est plus égal au nombre total de protons du noyau. Par rapport à un atome neutre, il y a soit un excédent d'électrons — dans le cas d'un anion qui est chargé négativement — soit un défaut d'électrons — dans le cas d'un cation qui est chargé positivement. Prenons l'exemple d'un atome neutre de chlore : son numéro atomique étant 17, il possède 17 protons et 17 électrons. Cet atome neutre, lorsqu'il gagne un électron supplémentaire, forme l'anion chlorure (Cl) :
             Cl   +   e      Cl
    17électrons              18électrons
     17protons                17protons
Après avoir gagné un électron, l'anion chlorure possède 17 protons et 18 électrons. Comme il y a un électron supplémentaire par rapport au nombre de protons, la charge totale de l'ion est égale à -1.
De la même façon, on peut définir un ion polyatomique comme une molécule qui se retrouve ionisée après avoir gagné ou perdu des électrons. Dans un ion polyatomique, le groupe d'atomes liés de façon covalente porte une charge non nulle puisque le nombre total d'électrons de la molécule n'est plus équivalent au nombre total de protons. Dans une structure de Lewis, la charge totale d'un ion polyatomique est égale à la somme des charges formelles de chaque atome qui le compose.
Structure de Lewis de l'ion hydroxyde.
Structure de Lewis de l'ion hydroxyde. Les tirets autour de l'oxygène, O, représentent trois doublets non-liants et le trait entre H et O indique la présence d'une liaison covalente contenant deux électrons partagés. La charge totale de l'ion polyatomique est de -1. Elle est indiquée à l'extérieur des crochets, en haut à droite. Crédit image : Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
Prenons l'exemple de l'ion polyatomique OH, c'est à dire l'ion hydroxyde. Sa structure de Lewis est représentée ci-dessus. Elle contient un atome d'oxygène et un atome d'hydrogène. Le trait entre les deux atomes représente une liaison covalente, qui est constituée de deux électrons partagés entre H et O. Les tirets autour de O représentent des doublets non liants. Dans un ion hydroxyde, l'oxygène possède trois doublets non liants, soit un total de six électrons non appariés.
Pour indiquer la charge totale de l'ion hydroxyde, on écrit entre crochets sa structure de Lewis et on place sa charge à l'extérieur des crochets, en haut à droite. Ici, on voit que l'hydroxyde porte une charge -1. L'ion possède donc un électron supplémentaire par rapport au nombre total de protons qu'il y a dans l'ensemble des deux noyaux des atomes d'hydrogène et d'oxygène.
Application : Combien y a-t-il de protons et d'électrons dans l'ion hydroxyde ?

Quelques ions polyatomiques courants

Les ions polyatomiques sont partout ! Les ions bicarbonates, HCO3, participent à la régulation du pH du sang, tandis que les ions phosphates, PO43, sont essentiels à de nombreux processus métaboliques. Se familiariser avec les noms, les charges et les formules des ions polyatomiques les plus courants est utile pour identifier les composés ioniques et prédire leur réactivité. Le tableau suivant liste quelques ions polyatomiques courants.
FormuleNomFormuleNomHg22+Mercure(I)SCNThiocyanateNH4+AmmoniumCO32CarbonateNO2NitriteHCO3Hydrogénocarbonate (bicarbonate*)NO3NitrateClOHypochloriteSO32SulfiteClO2ChloriteSO42SulfateClO3ChlorateHSO4Hydrogénosulfate (bisulfate*)ClO4PerchlorateOHHydroxydeC2H3O2(or CH3COO)AcetateCNCyanureMnO4PermanganatePO43PhosphateCr2O72DichromateHPO42HydrogénophosphateCrO42ChromateH2PO4DihydrogénophosphateO22PeroxydeC2O42Oxalate
* Un nom informel, mais couramment utilisé.
On utilisera les ions polyatomiques de ce tableau dans le reste de l'article !

Noms et formules brutes de composés contenant des ions polyatomiques

On trouve des ions polyatomiques jusque dans nos cuisines ! La levure chimique est notamment composée de bicarbonate de sodium, NaHCO3, appelé couramment bicarbonate de soude et qui comprend l'ion bicarbonate HCO3. Crédit image : pixabay, CC0 1.0
Maintenant qu'on a la liste de référence des ions polyatomiques les plus courants, on va voir comment nommer et écrire la formule brute des composés qui en contiennent. Il y a deux choses à garder à l'esprit :
  1. Lorsqu'un composé contient plus d'un ion polyatomique du même type, on écrit entre parenthèses la formule de l'ion puis on ajoute en indice le nombre d'ions de ce type présents dans le composé.
  2. La charge totale d'un composé ionique doit être nulle, ce qui signifie que la somme des charges des cations et des anions doit être nulle. On utilise cette règle pour déterminer la formule d'un composé ionique lorsqu'on connaît la charge de l'anion et celle du cation. Cette règle est aussi utile pour déduire la charge d'un ion lorsque la formule brute du composé ionique est connue.
On applique ces règles sur quelques exemples.

Exemple 1 : Trouver la formule brute à partir du nom du composé

Quelle est la formule brute de l'hydroxyde de calcium ?
Le calcium est un métal alcalino-terreux — groupe 2 du tableau périodique — qui forme donc des ions de charge +2. Selon le tableau précédent, l'ion hydroxyde porte une charge -1 et sa formule brute est OH. On a donc besoin de deux ions hydroxyde pour annuler parfaitement la charge +2 apportée par Ca2+. Pour indiquer clairement qu'il y a deux ions hydroxyde pour chaque cation Ca2+, on écrit OH entre parenthèses et on ajoute le chiffre 2 en indice. La formule brute du composé est donc Ca(OH)2.
Application : Pourquoi la formule brute CaOH2 est fausse pour l'hydroxyde de calcium ?

Exemple 2 : Nomenclature des composés ioniques qui contiennent des ions polyatomiques

Quel est le nom du composé de formule brute Ni3(PO4)2 ?
Pour nommer un composé ionique, il est plus facile de décomposer la formule brute en cation(s) et en anion(s). Dans ce composé, on a un cation provenant du nickel. Le nickel est un métal de transition qui peut donner divers types de cations de charges différentes. Pour donner le nom de ce composé ionique, il faut donc déterminer la charge portée par l'ion nickel dans ce composé spécifique ! Par chance, on connaît la charge de l'anion : l'ion phosphate est un ion polyatomique qui possède toujours une charge égale à -3. Comme on sait que la charge totale d'un composé ionique est toujours nulle, on peut utiliser la formule brute et la charge du phosphate pour calculer la charge de l'ion nickel :
Charge totale=0=(nombre de cations×charge du cation)+(nombre d’anions×charge de l’anion)
On en déduit que la somme des charges des cations doit être égale à l'opposé de la somme des charges des anions.
Nombre de cations×charge du cation=1×(nombre d’anions×charge de l’anion)
On remplace les inconnues par les valeurs données par la formule brute — c'est-à-dire le nombre de cations et d'anions — et par la valeur de la charge de l'anion. On peut alors déterminer la charge du nickel :
3×charge du cation=1×(2×3)=+6charge du cation=+63=+2
On sait que le cation du composé est le nickel (II). Pour nommer le composé en entier, on commence par le nom de l'anion, comme pour les composés ioniques simples. Mais ici, on ne rajoute pas le suffixe "-ure" au nom de l'anion, puisque c'est un anion polyatomique qui a déjà un nom spécial. On termine avec le nom du cation, avec sa charge indiquée entre parenthèses et en chiffres romains.
Et donc, le nom du composé est le phosphate de nickel(II).

Exemple 3 : Décomposer un composé ionique en ions

De quels ions est constitué le composé ionique Ca(MnO4)2 ?
Préciser la formule, la charge et le nombre de chaque ion.
L'analyse de la formule brute d'un composé ionique commence par la recherche de formules d'ions familiers. Ici, on remarque la présence du permanganate MnO4, un des ions polyatomiques listés dans le tableau ci-dessus. Le composé contient deux ions permanganate.
Le permanganate porte une charge -1. Dans ce composé ionique, il apporte donc une charge totale de 2×(1)=2. On sait que la charge totale d'un composé ionique doit être nulle. Par conséquent, le calcium doit être sous la forme du cation Ca2+, ce qui permet d'annuler la charge -2 apportée par les deux ions MnO4.
Une façon de vérifier la réponse consiste à se demander si le calcium forme typiquement des cations de charge +2. Sachant que le calcium (Ca) est un métal du groupe 2, il a tendance à perdre deux électrons pour former des cations +2. La réponse est donc cohérente avec ce que l'on connaît de la réactivité chimique !
Le composé ionique Ca(MnO4)2 contient donc un cation Ca2+ et deux anions MnO4.
Il peut être utile de savoir décomposer un composé ionique et donner les ions qui le constituent. C'est le cas, par exemple, lorsqu'on dissout dans l'eau un composé ionique pour une réaction. De nombreux composés ioniques sont solubles dans l'eau, et une fois mis en solution, les ions qui le constituent se retrouvent dissociés. Les ions ainsi dissociés peuvent s'écarter et participer à des réactions chimiques indépendamment des autres ions du composé ionique de départ.

Conclusion

Par analogie avec un atome neutre qui peut gagner ou perdre des électrons pour former un ion, une molécule neutre peut gagner ou perdre des électrons pour donner un ion polyatomique. Un ion polyatomique est donc un groupe d'atomes liés de façon covalente et qui porte une charge non nulle puisque le nombre total d'électrons dans la molécule n'est plus équivalent au nombre total de protons. Dans une structure de Lewis d'un ion polyatomique, la somme des charges formelles de l'ensemble des atomes doit être égale à la charge totale de l'ion.
Connaître les ions polyatomiques les plus courants est utile pour identifier les composés ioniques et prédire leur réactivité. Mémoriser les formules, les charges et les noms de tous les ions polyatomiques serait toutefois une tâche colossale. Il faut savoir qu’on retrouve des motifs communs dans la nomenclature de ces ions et l’écriture de leurs formules. C’est pourquoi il est préférable d’apprendre ces motifs plutôt que de mémoriser l’ensemble de ces ions.
Bonus : Dès que vous connaîtrez les ions polyatomiques, vous pourrez jouer au jeu "Trouver l'ion polyatomique", qui consiste à chercher des exemples de composés, utilisés dans la vie courante, qui contiennent des ions polyatomiques. On a vu deux exemples dans cet article avec la levure chimique et la craie. Pouvez-vous en trouver plus ? Indice : regardez les ingrédients de votre lotion, votre shampooing ou votre dentifrice. N'hésitez pas à poster vos réponses dans les commentaires ci-dessous !

À vous de jouer !

Problème 1
Quelle est la formule brute de l'hydrogénophosphate de lithium ?
Choisissez une seule réponse :

Problème 2
Quel est le nom du composé de formule brute (NH4)2S ?
Choisissez une seule réponse :

Problème 3
De quels ions est constitué le composé ionique FeCr2O7 ?
Préciser la formule, la charge et le nombre de chaque ion.
Choisissez une seule réponse :

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  • starky sapling style l'avatar de l’utilisateur Chacha
    dans l'example 2, comment on sait qu'on doit déduire que la somme des charges des cations est égal a l'opposé de la somme des charges des anions?
    (1 vote)
    Default Khan Academy avatar l'avatar de l’utilisateur
    • blobby green style l'avatar de l’utilisateur Elisabeth
      Bonjour,
      On le sait parce que le composé présenté est une molécule et pas un ion polyatomique.
      Comment sait-on cela? Le composé ne porte pas de charge globale : il n'y a pas de + ou de - en "exposant" après la formule.
      Une molécule n'a pas de charge globale : les charges de ses composants se compensent.
      (2 votes)
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