Qu'est-ce qu'un exposant dans une formule chimique ?

Les formules chimiques de base utilisent principalement des symboles chimiques et des nombres en indice. La molécule d'eau commune, par exemple, contient deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène et s'écrit H2O, avec les deux en indice. Cette configuration de base, cependant, ne raconte pas toujours toute l'histoire. Parfois, les formules chimiques ont besoin de nombres et de symboles en exposant pour donner des informations sur le poids et la charge des atomes impliqués dans une réaction chimique.

Le chimiste suédois Jons Jakob Berzelius a créé au début du XIXe siècle le système moderne d'écriture des formules chimiques. Sous sa supervision à l'Académie royale suédoise des sciences, les étudiants ont découvert plusieurs nouveaux éléments, dont le vanadium et lithium, et Berzelius lui-même a découvert plusieurs éléments et déterminé le poids moléculaire de presque tous les éléments connus au temps. Pour simplifier les formules avec autant d'éléments, Berzelius a créé les symboles à une et deux lettres pour représenter les éléments. À l'époque, le nombre de chaque élément d'une molécule était indiqué en exposant. Aujourd'hui, les nombres en indices indiquent les proportions des éléments.

Les nombres en exposant définissent désormais les isotopes dans les formules chimiques. Les isotopes sont des variétés du même élément chimique qui ont des masses différentes. Le nombre de protons, la particule subatomique chargée positivement, détermine l'identité d'un élément. Les éléments, cependant, peuvent avoir un nombre différent de neutrons, la particule subatomique de charge neutre, tout en conservant leur identité élémentaire. Les formules chimiques utilisent un nombre en exposant avant le symbole de l'élément pour indiquer la masse de l'isotope.

L'uranium, par exemple, peut contenir de 141 à 146 neutrons, bien que plus de 99 % de l'uranium dans la nature contienne 146 neutrons. Avec 146 neutrons, le poids atomique de l'uranium est de 238 unités de masse atomique, donc un exposant 238 avant le symbole de l'uranium, U, indique cet isotope. L'isotope à 143 neutrons, utilisé dans l'énergie nucléaire et l'armement, est indiqué par un exposant 235, pour indiquer son poids atomique de 235. Les formules de nombreuses réactions chimiques standard n'utilisent pas de nombres en exposant pour les isotopes lorsque le éléments ont la masse atomique commune, bien qu'il ne serait pas inexact d'indiquer que dans exposant.

Les formules chimiques peuvent également utiliser un exposant après un symbole chimique pour identifier les ions. Les ions sont des atomes ou des molécules qui n'ont pas un nombre égal de protons et d'électrons, la particule subatomique chargée négativement. Cela crée un atome ou une molécule qui est soit chargé négativement, un anion, soit chargé positivement, un cation. Un signe plus ou moins en exposant après le symbole chimique indique cette charge. Un nombre avant le signe plus ou moins indique le niveau de charge. Par exemple, un exposant 3+ indique que l'ion a trois protons de plus que d'électrons.

A titre d'exemple, l'élément cuivre peut exister sans un ou deux électrons. Lorsqu'il lui manque un électron, l'ion cuivre est indiqué par un seul exposant plus le signe après son symbole, Cu. Lorsqu'il manque deux électrons, l'ion, appelé cuivrique, a le symbole Cu suivi de +2 dans exposant. Si une molécule existe sous forme d'isotope, la formule chimique l'indique en plaçant la formule moléculaire complète entre parenthèses suivie de l'exposant indiquant la charge.