Identifier des ions

Physique-chimie Troisième

Comment reconnaître un ion ?

Des ions invisibles

Une solution ionique est de l'eau qui contient des ions (voir atomes, molécules et ions). Elle est électriquement neutre : elle contient toujours des ions positifs et des ions négatifs. Par exemple, une solution de sulfate de cuivre II contient des ions cuivre \(\mathrm{Cu^{2+}}\) et des ions sulfate \(\mathrm{SO_4^{2-}}\).

Certains ions donnent une couleur à la solution (bleu pour \(\mathrm{Cu^{2+}}\), vert pâle pour \(\mathrm{Fe^{2+}}\), orangé pour \(\mathrm{Fe^{3+}}\)), mais la plupart sont incolores : l'eau salée et l'eau déminéralisée se ressemblent parfaitement ! Pour savoir quels ions contient une solution, on réalise des tests caractéristiques.

Un test caractéristique consiste à ajouter quelques gouttes d'un réactif à un petit volume de la solution. Si l'ion recherché est présent, il se forme un précipité : un solide qui apparaît dans le liquide, souvent coloré, et qui tombe peu à peu au fond du tube.

Le test au nitrate d'argent

L'expérience

On remplit à moitié quatre tubes avec : de l'eau déminéralisée (1), de l'eau minérale (2), une solution de sulfate de cuivre II (3) et une solution d'acide chlorhydrique (4). On ajoute ensuite avec une pipette quelques gouttes de nitrate d'argent dans chaque tube.

1. eaudéminéraliséepas d'ion2. eauminéralevoir l'étiquette3. sulfatede cuivre IICu²⁺ et SO₄²⁻4. acidechlorhydriqueH⁺ et Cl⁻Quelques gouttes de nitrate d'argent dans chaque tube

On ajoute enfin quelques grains de sel dans le tube 1. Quand le sel se dissout, il libère des ions sodium \(\mathrm{Na^{+}}\) et des ions chlorure \(\mathrm{Cl^{-}}\) dans l'eau.

tube 1 avanteau déminéralisée+ seltube 1 aprèsquelques grains de sel
Source desTrois FontainesEAU MINÉRALE NATURELLE1,5 LAnalyse moyenne (mg/L)Calcium (Ca²⁺)176Magnésium (Mg²⁺)46Potassium (K⁺)5Sodium (Na⁺)28Bicarbonates (HCO₃⁻)312Sulfates (SO₄²⁻)372Chlorures (Cl⁻)37Fluorures (F⁻)2Nitrates (NO₃⁻)< 1

Observe les tubes et l'étiquette de l'eau minérale. 📄 ✏️

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1. Décris ce que tu observes dans chacun des tubes, puis dans le tube 1 après l'ajout de sel.

Tubes 1 et 3 : rien ne se passe. Tube 2 : un léger trouble blanc. Tube 4 : un précipité blanc. Tube 1 après l'ajout de sel : un précipité blanc apparaît.

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2. Quel ion est présent dans les tubes où un précipité blanc apparaît, et absent des autres ?

L'acide chlorhydrique (\(\mathrm{H^{+}}\) et \(\mathrm{Cl^{-}}\)) et l'eau salée (\(\mathrm{Na^{+}}\) et \(\mathrm{Cl^{-}}\)) ont en commun l'ion chlorure \(\mathrm{Cl^{-}}\). L'étiquette indique que l'eau minérale en contient aussi, mais peu (37 mg par litre) : d'où un simple trouble. L'eau déminéralisée et la solution de sulfate de cuivre n'en contiennent pas.

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3. Pourquoi peut-on dire que ce ne sont pas les ions \(\mathrm{H^{+}}\) ou \(\mathrm{Na^{+}}\) qui réagissent ?

Le précipité apparaît aussi bien avec \(\mathrm{H^{+}}\) (tube 4) qu'avec \(\mathrm{Na^{+}}\) (tube 1 salé) : le seul ion commun est \(\mathrm{Cl^{-}}\). Le nitrate d'argent est donc le réactif qui met en évidence les ions chlorure.

Le test des ions chlorure

solution de nitrate d'argentsolution contenantdes ions chlorure Cl⁻précipité blanc
En présence d'ions chlorure \(\mathrm{Cl^{-}}\), le nitrate d'argent donne un précipité blanc qui noircit à la lumière.

Le nitrate d'argent contient des ions argent \(\mathrm{Ag^{+}}\). Le précipité de chlorure d'argent se forme quand les ions argent rencontrent les ions chlorure :

\[ \mathrm{Ag^{+} + Cl^{-} \longrightarrow AgCl} \]

Le solide formé est électriquement neutre : une charge + et une charge −.

Le test à l'hydroxyde de sodium

L'expérience

L'hydroxyde de sodium, appelé couramment soude, est une solution qui contient des ions sodium \(\mathrm{Na^{+}}\) et des ions hydroxyde \(\mathrm{HO^{-}}\). On en verse quelques gouttes dans trois tubes remplis à moitié d'une solution de sulfate de cuivre II, de sulfate de fer III et de chlorure de fer II.

1. sulfatede cuivre IICu²⁺ et SO₄²⁻2. sulfatede fer IIIFe³⁺ et SO₄²⁻3. chlorurede fer IIFe²⁺ et Cl⁻Quelques gouttes d'hydroxyde de sodium (soude)

Observe les trois tubes. 📄 ✏️

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1. Quelle est la couleur du précipité obtenu dans chaque tube ?

Tube 1 (sulfate de cuivre II) : précipité bleu. Tube 2 (sulfate de fer III) : précipité orange-rouille. Tube 3 (chlorure de fer II) : précipité vert.

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2. Les tubes 1 et 2 contiennent tous les deux des ions sulfate \(\mathrm{SO_4^{2-}}\). Sont-ils responsables de la couleur du précipité ?

Non : avec les mêmes ions sulfate, on obtient deux précipités de couleurs différentes. La couleur est due à l'ion métallique : \(\mathrm{Cu^{2+}}\) dans le tube 1, \(\mathrm{Fe^{3+}}\) dans le tube 2. De même, dans le tube 3, c'est \(\mathrm{Fe^{2+}}\) qui donne le précipité vert.

📖
3. Comment vérifier que la solution du tube 3 contient aussi des ions chlorure ?

On en verse un peu dans un autre tube et on ajoute du nitrate d'argent : il se forme un précipité blanc.

Le test des ions cuivre et fer

L'hydroxyde de sodium (soude) donne un précipité :
  • bleu avec les ions cuivre II \(\mathrm{Cu^{2+}}\) ;
  • vert avec les ions fer II \(\mathrm{Fe^{2+}}\) ;
  • orange-rouille avec les ions fer III \(\mathrm{Fe^{3+}}\).

Ce sont les ions hydroxyde \(\mathrm{HO^{-}}\) qui réagissent. Avec les ions cuivre, il se forme un précipité d'hydroxyde de cuivre II :

\[ \mathrm{Cu^{2+} + 2\,HO^{-} \longrightarrow Cu(OH)_2} \]

À toi de réfléchir. 📄 ✏️

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1. Pourquoi faut-il deux ions \(\mathrm{HO^{-}}\) pour un ion \(\mathrm{Cu^{2+}}\) ?

Le précipité est électriquement neutre : les 2 charges + de l'ion cuivre sont compensées par les 2 charges − de deux ions hydroxyde.

📖
2. Combien d'ions \(\mathrm{HO^{-}}\) faut-il pour former le précipité avec un ion \(\mathrm{Fe^{3+}}\) ?

Il en faut 3 pour compenser les 3 charges + : \(\mathrm{Fe^{3+} + 3\,HO^{-} \longrightarrow Fe(OH)_3}\).

Au laboratoire

Laboratoire virtuel

Les tests à retenir

Réactif ajoutéIon testéObservation
nitrate d'argention chlorure \(\mathrm{Cl^{-}}\)précipité blanc qui noircit à la lumière
hydroxyde de sodium
(soude, ions \(\mathrm{HO^{-}}\))
ion cuivre II \(\mathrm{Cu^{2+}}\)précipité bleu
ion fer II \(\mathrm{Fe^{2+}}\)précipité vert
ion fer III \(\mathrm{Fe^{3+}}\)précipité orange-rouille
Au brevet, les tests au nitrate d'argent et à l'hydroxyde de sodium (soude, ions \(\mathrm{HO^{-}}\)) sont rappelés dans l'énoncé. Il est tout de même préférable de les connaître : on comprend plus vite l'énoncé et on gagne du temps.
Sécurité : la soude et le nitrate d'argent sont corrosifs (le nitrate d'argent tache la peau en noir). On les manipule avec blouse, lunettes et gants, en petite quantité.

Bilan

L'essentiel à retenir du chapitre.

Le principe

  • Un test caractéristique : quelques gouttes d'un réactif dans un peu de solution.
  • Si l'ion recherché est présent, il se forme un précipité (solide qui apparaît dans le liquide).
  • La couleur du précipité permet d'identifier l'ion.

Les tests

  • Nitrate d'argent : précipité blanc (noircit à la lumière) → ion chlorure \(\mathrm{Cl^{-}}\).
  • Soude (ions \(\mathrm{HO^{-}}\)) : précipité bleu → \(\mathrm{Cu^{2+}}\) ; vert → \(\mathrm{Fe^{2+}}\) ; orange-rouille → \(\mathrm{Fe^{3+}}\).
  • Rappelés au brevet, mais préférables à connaître.

Exercices

Exercice 1 : texte à trous sur les tests des ions ✏️

📝 Sélectionne les bonnes réponses :

Exercice 2 : quel ion a été mis en évidence ? ✏️

📝 Pour chaque test, choisis l'ion mis en évidence.
💡 Indice Nitrate d'argent → un seul ion possible. Soude → la couleur du précipité indique l'ion.
RéactifObservationIon mis en évidence
nitrate d'argentprécipité blanc
soudeprécipité vert
soudeprécipité orange-rouille
soudeprécipité bleu
nitrate d'argentrien ne se passe

Exercice 3 : Vrai ou faux sur les précipités ✏️

📝 Réponds par Vrai ou Faux :

Exercice 4 : la solution mystère 📄 ✏️


Le flacon d'une solution bleue a perdu son étiquette. On sait qu'il contient soit du sulfate de cuivre II, soit du chlorure de cuivre II. On réalise deux tests :

  • avec la soude, il se forme un précipité bleu ;
  • avec le nitrate d'argent, il se forme un précipité blanc qui noircit à la lumière.

📖
1. Quel ion le premier test met-il en évidence ?
💡 Indice Soude et précipité bleu…

Les ions cuivre II \(\mathrm{Cu^{2+}}\). Mais les deux solutions possibles en contiennent : ce test ne suffit pas à conclure.

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2. Quel ion le second test met-il en évidence ?
💡 Indice Nitrate d'argent et précipité blanc…

Les ions chlorure \(\mathrm{Cl^{-}}\).

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3. Quelle est la solution contenue dans le flacon ?
💡 Indice Lequel des deux noms contient le mot « chlorure » ?

Le flacon contient du chlorure de cuivre II (ions \(\mathrm{Cu^{2+}}\) et \(\mathrm{Cl^{-}}\)). Le sulfate de cuivre II n'aurait donné aucun précipité avec le nitrate d'argent.

Exercice 5 : l'eau du puits 📄 ✏️


L'eau d'un puits a un goût métallique et laisse des traces orangées dans l'évier. Pour savoir si elle contient des ions fer, Tom en verse dans un tube, puis ajoute quelques gouttes de soude : un précipité vert se forme. Il laisse le tube à l'air libre ; une heure plus tard, le précipité est devenu orange-rouille en surface.


📖
1. Quel ion contient l'eau du puits ? Justifie.
💡 Indice Utilise la couleur du précipité juste après l'ajout de soude.

Le précipité est vert juste après l'ajout de soude : l'eau contient des ions fer II \(\mathrm{Fe^{2+}}\).

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2. À quel ion fait penser le précipité orange-rouille ? Comment l'expliquer ?
💡 Indice Compare avec le tableau des tests.

Un précipité orange-rouille est caractéristique des ions fer III \(\mathrm{Fe^{3+}}\) : au contact du dioxygène de l'air, le fer II se transforme peu à peu en fer III. C'est aussi ce qui donne les traces orangées dans l'évier.

📖
3. Pourquoi faut-il observer la couleur du précipité tout de suite ?
💡 Indice Que deviendrait la conclusion si on observait le tube une heure après ?

Sinon, on conclurait à tort à la présence d'ions fer III. Le test doit être lu juste après l'ajout du réactif.

Exercice 6 : tester une eau minérale 📄 ✏️


On dispose de deux eaux : l'eau minérale dont l'étiquette est donnée dans le cours (37 mg d'ions chlorure par litre) et une eau de source dont l'étiquette indique « chlorures : 0 mg/L ». On veut vérifier ces étiquettes au laboratoire.


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1. Quel réactif faut-il utiliser ? Quel matériel de sécurité ?
💡 Indice On cherche les ions chlorure.

Le nitrate d'argent, avec blouse, lunettes et gants.

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2. Qu'observera-t-on dans chacun des deux tubes si les étiquettes sont justes ?
💡 Indice Pense à la quantité d'ions chlorure dans chaque eau.

Eau minérale : un léger trouble blanc (peu d'ions chlorure). Eau de source : rien, pas de précipité.

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3. Pourquoi réalise-t-on aussi le test avec de l'eau déminéralisée ?
💡 Indice Elle ne contient pas d'ions.

C'est un témoin : sans ions, il ne doit rien se passer. On compare les autres tubes à ce tube témoin pour repérer un léger trouble.