S11 – Comprendre "ce qu'on mesure" en contrôle qualité 📝⚓︎
Atome – Ions – Tableau périodique – Électroneutralité
En BTS MECP, on attend des réponses rédigées, justifiées et utilisant un vocabulaire scientifique précis. Comprendre la structure de la matière permet d'interpréter les mesures de contrôle qualité (pH, conductivité).
🎯 Objectifs de la séance⚓︎
À l'issue de cette séance, vous serez capables de :
- décrire la structure de l'atome (noyau, électrons)
- utiliser le tableau périodique pour trouver Z et les électrons de valence
- distinguer cation et anion
- écrire la formule d'un ion à partir de l'atome
- appliquer la règle d'électroneutralité
- relier la présence d'ions aux mesures de contrôle qualité
🧴 Pourquoi c'est important pour votre métier ?⚓︎
En institut ou en laboratoire cosmétique, vous serez amené(e) à :
- Comprendre les mesures de pH : le pH mesure la concentration en ions H₃O⁺
- Interpréter la conductivité : elle dépend des ions présents en solution
- Lire les listes INCI : de nombreux ingrédients sont des composés ioniques (Sodium Chloride, Potassium Sorbate...)
- Comprendre la formulation : les ions influencent la stabilité, la texture et l'efficacité des produits
💡 Quand vous lisez "Sodium Benzoate" sur un flacon, c'est un composé ionique formé d'ions sodium Na⁺ et d'ions benzoate. Comprendre les ions, c'est comprendre vos produits !
👉 Cette séance vous permettra de faire le lien entre l'échelle microscopique (atomes, ions) et les mesures macroscopiques que vous réalisez en contrôle qualité.
🧴 Situation professionnelle⚓︎
Vous travaillez au laboratoire de contrôle qualité d'une entreprise cosmétique.
Un nouveau technicien vous demande :
« Quand je mesure le pH, qu'est-ce que je mesure vraiment ? Et pourquoi l'eau du robinet conduit-elle le courant alors que l'eau pure non ? »
Pour lui répondre, vous devez comprendre ce que sont les ions et d'où ils viennent.
📄 Documents fournis⚓︎
Document 0 – Exemples d’espèces chimiques (repères visuels)⚓︎
Cl2 et CO2 : molécules
NaCl : composé ionique (association d’ions)
Document 1 – Structure de l'atome⚓︎
L'atome est le constituant élémentaire de la matière. Il est composé de :
| Particule | Symbole | Charge | Localisation |
|---|---|---|---|
| Proton | p⁺ | Positive (+) | Noyau |
| Neutron | n | Nulle (0) | Noyau |
| Électron | e⁻ | Négative (−) | Autour du noyau |
Structure de l'atome de carbone
Règle fondamentale : Dans un atome électriquement neutre, le nombre de protons est égal au nombre d'électrons.
Document 2 – Le numéro atomique Z et tableau périodique⚓︎
Le numéro atomique Z est le nombre de protons dans le noyau d'un atome. Il identifie l'élément chimique.
Dans le tableau périodique, Z est indiqué pour chaque élément :
┌─────────────┐
│ 6 │ ← Numéro atomique Z
│ │
│ C │ ← Symbole de l'élément
│ │
│ Carbone │ ← Nom de l'élément
│ 12,0 │ ← Masse atomique
└─────────────┘
Exemples :
| Élément | Symbole | Z | Nombre de protons | Nombre d'électrons (atome neutre) |
|---|---|---|---|---|
| Hydrogène | H | 1 | 1 | 1 |
| Carbone | C | 6 | 6 | 6 |
| Oxygène | O | 8 | 8 | 8 |
| Sodium | Na | 11 | 11 | 11 |
| Chlore | Cl | 17 | 17 | 17 |
Document 3 – Les électrons de valence⚓︎
Les électrons sont répartis en couches électroniques autour du noyau :
| Couche | Nom | Nombre max d'électrons |
|---|---|---|
| 1ère | K | 2 |
| 2ème | L | 8 |
| 3ème | M | 18 |
Les électrons de la couche externe (la plus éloignée du noyau) sont appelés électrons de valence. Ce sont eux qui participent aux réactions chimiques.
Astuce : Dans le tableau périodique, le numéro de la colonne (pour les colonnes 1, 2 et 13-18) indique le nombre d'électrons de valence :
| Colonne | Électrons de valence | Exemples |
|---|---|---|
| 1 | 1 | H, Li, Na, K |
| 2 | 2 | Mg, Ca |
| 13 | 3 | Al |
| 14 | 4 | C, Si |
| 15 | 5 | N, P |
| 16 | 6 | O, S |
| 17 | 7 | F, Cl, Br, I |
| 18 | 8 (ou 2 pour He) | He, Ne, Ar |
Document 4 – Formation des ions⚓︎
Un ion est un atome (ou groupe d'atomes) qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.
| Type d'ion | Formation | Charge | Exemple |
|---|---|---|---|
| Cation | Perte d'électrons | Positive (+) | Na⁺, Ca²⁺ |
| Anion | Gain d'électrons | Négative (−) | Cl⁻, O²⁻ |
Pourquoi les atomes forment-ils des ions ?
Les atomes cherchent à atteindre la configuration électronique stable des gaz nobles (colonne 18) : couche externe complète (2 ou 8 électrons).
Exemple 1 : Le sodium (Na)
Na (Z = 11) Na⁺
11 protons, 11 électrons → 11 protons, 10 électrons
Couches : K² L⁸ M¹ Couches : K² L⁸
↓ ↓
1 e⁻ de valence Configuration du néon (stable)
PERD 1 électron → devient CATION Na⁺
Exemple 2 : Le chlore (Cl)
Cl (Z = 17) Cl⁻
17 protons, 17 électrons → 17 protons, 18 électrons
Couches : K² L⁸ M⁷ Couches : K² L⁸ M⁸
↓ ↓
7 e⁻ de valence Configuration de l'argon (stable)
GAGNE 1 électron → devient ANION Cl⁻
Document 5 – Règle d'électroneutralité⚓︎
Un composé ionique est toujours électriquement neutre : la somme des charges positives est égale à la somme des charges négatives.
Exemple 1 : Chlorure de sodium NaCl - Na⁺ : charge +1 - Cl⁻ : charge −1 - Bilan : (+1) + (−1) = 0 ✓
Exemple 2 : Chlorure de calcium CaCl₂ - Ca²⁺ : charge +2 - Cl⁻ : charge −1 - Il faut 2 ions Cl⁻ : (+2) + 2×(−1) = 0 ✓
Méthode pour trouver la formule : On croise les charges (sans le signe).
Ca²⁺ Cl⁻
╲ ╱
\ /
╳
/ \
╱ ╲
2 1 → CaCl₂
Document 6 – Ions courants en cosmétique⚓︎
| Ion | Formule | Exemples de noms INCI | Rôle en cosmétique |
|---|---|---|---|
| Sodium | Na⁺ | Sodium (ex : Sodium Chloride, Sodium Benzoate) | Conservateurs, tensioactifs |
| Potassium | K⁺ | Potassium (ex : Potassium Sorbate, Potassium Chloride) | Régulateurs, émollients |
| Calcium | Ca²⁺ | Calcium (ex : Calcium Chloride, Calcium Gluconate) | Reminéralisant, durcisseur |
| Magnésium | Mg²⁺ | Magnesium (ex : Magnesium Sulfate, Magnesium Chloride) | Actif, stabilisant |
| Chlorure | Cl⁻ | Chloride (ex : Sodium Chloride, Magnesium Chloride) | Sel, ajusteur de viscosité |
| Hydroxyde | OH⁻ | Hydroxide (ex : Sodium Hydroxide, Potassium Hydroxide) | Ajusteur de pH (bases) |
| Hydronium | H₃O⁺ | — | Présent en solution (pH) |
🔬 Travail 0 – Identifier les entités chimiques⚓︎
1. Classer chaque espèce dans la bonne catégorie : atome / ion / molécule / composé ionique.
| Espèce | Catégorie |
|---|---|
| H₂O | |
| Na⁺ | |
| Cl⁻ | |
| Cl₂ | |
| CO₂ | |
| NaCl |
2. Expliquer en 2–3 lignes ce qui permet de distinguer un ion d’une molécule.
(Indice : charge électrique / neutralité globale.)
🔬 Travail 1 – Structure de l'atome⚓︎
1.1 – Composition des atomes⚓︎
À l'aide du Document 2 et du tableau périodique, complétez le tableau :
| Élément | Symbole | Numéro atomique Z | Nombre de protons | Nombre d'électrons (atome neutre) |
|---|---|---|---|---|
| Hydrogène | H | |||
| Carbone | C | |||
| Azote | N | |||
| Oxygène | O | |||
| Sodium | Na | |||
| Soufre | S | |||
| Chlore | Cl | |||
| Calcium | Ca |
1.2 – Questions de compréhension⚓︎
1. Quelle particule détermine l'identité d'un élément chimique ?
2. Pourquoi un atome est-il électriquement neutre ?
3. Où se trouvent les protons ? Et les électrons ?
📊 Travail 2 – Électrons de valence et formation des ions⚓︎
🎯 Compétence E2 : Mobiliser – Utiliser le tableau périodique.
2.1 – Électrons de valence⚓︎
À l'aide du Document 3, déterminez le nombre d'électrons de valence :
| Élément | Colonne | Électrons de valence |
|---|---|---|
| Sodium (Na) | 1 | |
| Magnésium (Mg) | 2 | |
| Oxygène (O) | 16 | |
| Chlore (Cl) | 17 | |
| Potassium (K) | 1 | |
| Calcium (Ca) | 2 |
2.2 – Formation des cations⚓︎
Les éléments des colonnes 1 et 2 perdent leurs électrons de valence pour former des cations.
Complétez le tableau :
| Atome | Électrons de valence | Électrons perdus | Ion formé | Configuration atteinte |
|---|---|---|---|---|
| Na (Z=11) | 1 | 1 | Na⁺ | Comme Ne |
| Mg (Z=12) | 2 | Comme Ne | ||
| K (Z=19) | 1 | Comme Ar | ||
| Ca (Z=20) |
2.3 – Formation des anions⚓︎
Les éléments des colonnes 16 et 17 gagnent des électrons pour former des anions.
Complétez le tableau :
| Atome | Électrons de valence | Électrons à gagner | Ion formé | Configuration atteinte |
|---|---|---|---|---|
| Cl (Z=17) | 7 | 1 | Cl⁻ | Comme Ar |
| O (Z=8) | 6 | Comme Ne | ||
| S (Z=16) | ||||
| Br (Z=35) | 7 | Comme Kr |
2.4 – Question de synthèse⚓︎
Expliquez en 2-3 lignes pourquoi le sodium forme un ion Na⁺ et non Na⁻.
🧮 Travail 3 – Électroneutralité et composés ioniques⚓︎
🎯 Compétence E2 : Appliquer – Utiliser la règle d'électroneutralité.
3.1 – Vérifier l'électroneutralité⚓︎
Pour chaque composé, vérifiez que la somme des charges est nulle :
| Composé | Ions | Calcul des charges | Électroneutre ? |
|---|---|---|---|
| NaCl | Na⁺ + Cl⁻ | (+1) + (−1) = 0 | ☑ Oui |
| KBr | K⁺ + Br⁻ | ☐ Oui ☐ Non | |
| MgCl₂ | Mg²⁺ + 2 Cl⁻ | ☐ Oui ☐ Non | |
| CaO | Ca²⁺ + O²⁻ | ☐ Oui ☐ Non | |
| Na₂S | 2 Na⁺ + S²⁻ | ☐ Oui ☐ Non |
3.2 – Écrire des formules ioniques⚓︎
En utilisant la méthode du croisement des charges, écrivez les formules des composés ioniques suivants :
| Cation | Anion | Formule du composé |
|---|---|---|
| Na⁺ | Cl⁻ | NaCl |
| Ca²⁺ | Cl⁻ | |
| Na⁺ | O²⁻ | |
| Mg²⁺ | O²⁻ | |
| K⁺ | S²⁻ | |
| Ca²⁺ | S²⁻ |
3.3 – Application cosmétique⚓︎
Le chlorure de magnésium (MgCl₂) est utilisé dans certains soins comme actif reminéralisant.
1. Identifiez les ions présents dans ce composé :
- Cation : ___ (charge : ___)
- Anion : ___ (charge : ___)
2. Vérifiez l'électroneutralité du composé MgCl₂ :
📈 Travail 4 – Ions et mesures en contrôle qualité⚓︎
🎯 Compétence E2 : Interpréter – Relier l'échelle microscopique aux mesures.
4.1 – Le pH et les ions⚓︎
1. Quel ion est responsable de l'acidité d'une solution ?
2. Quel ion est responsable de la basicité d'une solution ?
3. Quand on mesure le pH d'une lotion, que mesure-t-on réellement à l'échelle microscopique ?
4.2 – La conductivité et les ions⚓︎
Une solution conduit le courant électrique si elle contient des ions mobiles.
1. Pourquoi l'eau pure ne conduit-elle quasiment pas le courant ?
2. Pourquoi l'eau salée (NaCl dissous) conduit-elle le courant ?
3. En contrôle qualité, on mesure parfois la conductivité d'une eau de rinçage. Que cherche-t-on à vérifier ?
4.3 – Application : lecture d'une liste INCI⚓︎
Voici un extrait de liste INCI d'une lotion tonique :
Aqua, Glycerin, Sodium Benzoate, Potassium Sorbate, Citric Acid, Sodium Chloride**
1. Identifiez les composés ioniques (soulignez-les dans la liste ci-dessus).
2. Pour le Sodium Chloride (NaCl), indiquez :
- Le cation présent : ___
- L'anion présent : ___
3. Ces composés ioniques contribuent-ils à la conductivité de la lotion ? Justifiez.
🔄 Travail 5 – Exercice de synthèse (niveau E2)⚓︎
🎯 Compétence E2 : Argumenter et Communiquer
Situation professionnelle⚓︎
Le laboratoire reçoit une eau déminéralisée pour la fabrication des cosmétiques. Avant utilisation, on effectue deux contrôles :
| Contrôle | Spécification | Résultat |
|---|---|---|
| pH | 6,5 à 7,5 | 7,0 |
| Conductivité | < 5 µS/cm | 2,3 µS/cm |
Une eau du robinet a typiquement une conductivité de 200 à 800 µS/cm.
Questions⚓︎
5.1 L'eau déminéralisée est-elle conforme ? Justifiez.
5.2 Expliquez pourquoi la conductivité de l'eau déminéralisée est beaucoup plus faible que celle de l'eau du robinet. Utilisez le vocabulaire : ions, dissous, conduire.
5.3 Pourquoi utilise-t-on de l'eau déminéralisée plutôt que de l'eau du robinet pour fabriquer des cosmétiques ? Proposez au moins 2 raisons.
🚀 Travail 6 – Approfondissement (pour aller plus loin)⚓︎
⚡ Ce travail est facultatif.
Les ions polyatomiques⚓︎
Certains ions sont formés de plusieurs atomes liés entre eux. On les appelle ions polyatomiques.
| Ion | Formule | Exemples de noms INCI | Utilisation |
|---|---|---|---|
| Hydroxyde | OH⁻ | Hydroxide (ex : Sodium Hydroxide, Potassium Hydroxide) | Ajusteur de pH |
| Sulfate | SO₄²⁻ | Sulfate (ex : Sodium Lauryl Sulfate, Magnesium Sulfate) | Tensioactifs (SLS) |
| Phosphate | PO₄³⁻ | Phosphate (ex : Sodium Phosphate, Potassium Phosphate) | Tampons, émulsifiants |
| Nitrate | NO₃⁻ | Nitrate (ex : Sodium Nitrate) | Conservateurs |
| Carbonate | CO₃²⁻ | Carbonate (ex : Sodium Bicarbonate) | Effervescents, pH |
| Citrate | C₆H₅O₇³⁻ | Citrate (ex : Sodium Citrate) | Tampons, chélateurs |
Questions⚓︎
1. Écrivez la formule du sulfate de sodium (Na₂SO₄) et vérifiez l'électroneutralité.
2. Le Sodium Lauryl Sulfate (SLS) contient l'ion Na⁺. Pourquoi ce tensioactif augmente-t-il la conductivité d'une solution ?
3. L'acide citrique (Citric Acid) peut former l'ion citrate C₆H₅O₇³⁻. Écrivez la formule du citrate de calcium.
✍️ Synthèse personnelle (entraînement E2 – 5 à 7 lignes)⚓︎
🎯 Compétence E2 : Communiquer
Rédigez un court paragraphe expliquant ce qu'est un ion, comment il se forme, et pourquoi les ions sont importants en contrôle qualité cosmétique.
Votre synthèse doit contenir : - La définition d'un ion (atome ayant gagné ou perdu des électrons) - La distinction cation/anion - Le lien avec les mesures de pH et de conductivité - Un exemple d'application cosmétique
Mots obligatoires à placer : atome – électron – ion – cation – anion – charge – pH – conductivité
🏆 Mes réussites aujourd'hui⚓︎
Avant de passer à l'auto-évaluation, prenez un moment pour reconnaître vos progrès !
Cochez ce que vous avez réussi à faire :
| Réussite | ✓ |
|---|---|
| J'ai compris la structure de l'atome (protons, électrons) | ☐ |
| Je sais utiliser le tableau périodique pour trouver Z | ☐ |
| Je sais trouver le nombre d'électrons de valence | ☐ |
| Je distingue cation (+) et anion (−) | ☐ |
| Je sais écrire la formule d'un composé ionique | ☐ |
| Je comprends le lien entre ions et mesures de CQ | ☐ |
💡 Chaque case cochée est une victoire ! Vous avez fait le lien entre l'infiniment petit (atomes) et vos mesures quotidiennes (pH, conductivité).
✅ Auto-évaluation⚓︎
Avant de rendre votre travail, vérifiez :
| Critère | ✓ |
|---|---|
| Je connais les particules de l'atome et leurs charges | ☐ |
| Je sais que nombre de protons = Z = nombre d'électrons (atome neutre) | ☐ |
| Je sais qu'un cation est positif (perte e⁻) et un anion négatif (gain e⁻) | ☐ |
| Je sais appliquer la règle d'électroneutralité | ☐ |
| Je comprends pourquoi les ions sont importants pour le pH et la conductivité | ☐ |
| J'ai rédigé ma synthèse avec les mots obligatoires | ☐ |
🔗 Pour la suite de la progression⚓︎
Dans les séances suivantes, vous découvrirez : - S12 : Stabilité chimique – Représentations de Lewis - S13 : Interactions moléculaires et pénétration cutanée
🔧 Outils méthodologiques associés⚓︎
➡️ Fiche méthode 01 – Justifier une réponse scientifique (O.A.C.J.)
➡️ Fiche méthode 05 – Lire le tableau périodique
📺 Pour réviser en vidéo⚓︎
🎬 Structure de l'atome – Lumni – 4 min Protons, neutrons, électrons expliqués simplement.
🎬 Le tableau périodique – C'est pas sorcier – 6 min Comprendre l'organisation du tableau de Mendeleïev.
🎬 Ions et composés ioniques – 5 min Formation des ions et électroneutralité.
💡 Conseil : Ces notions reviendront tout au long de l'année. Prenez le temps de bien les comprendre maintenant !