Chapitre 19 : Oxydoréduction

Transcription

1 1. Les couples d oxydoréduction (Voir TP) Chapitre 19 : Oxydoréduction Définitions : On appelle oxydant, une entité (atome, molécule ou ion) susceptible de capter un ou plusieurs électrons (noté e ) au cours d une réaction chimique : Oxydant = capteur d électrons On appelle réducteur, une entité (atome, molécule ou ion) susceptible de céder un ou plusieurs électrons au cours d une réaction chimique : Réducteur = donneur d électrons Un couple d oxydoréduction (ou couple redox) est constitué de deux espèces chimiques qui se transforment l une en l autre par transfert de n électrons. Les deux espèces chimiques sont dites conjuguées. On représente ce transfert par une demi-équation d oxydoréduction : Oxydant + n e Réducteur ou Ox + ne- Red Exemples : quelques couples redox à connaître Couple redox Oxydant Demi-équation d oxydoréduction Réducteur H + (aq) / H 2 (g) H + : ion hydrogène 2H( aq) 2e 2 H 2 : dihydrogène Fe 3+ (aq) / Fe 2+ (aq) Zn 2+ (aq) / Zn (s) 2+ (aq) / (s) MnO 4 (aq) / Mn 2+ (aq) Remarques : Fe 3+ : ion fer (III) Zn 2+ : ion zinc 2+ : ion cuivre (II) MnO 4 : ion permanganate Fe Zn H ( g ) e Fe Fe 2+ : ion fer (II) 3 2 ( aq) ( aq) 2e Zn Zn : atome de zinc 2 2e : atome de cuivre 2 MnO 8H 5e Mn 4H O l Mn 2+ : ion manganèse (aq) (aq) 2 (aq) - Par convention, on écrit toujours l oxydant à gauche du trait oblique et le réducteur à droite ; - On appelle oxydation une réaction au cours de laquelle un réactif cède (perd) un ou plusieurs électrons ; - On appelle réduction une réaction au cours de laquelle un réactif capte (gagne) un ou plusieurs électrons. En résumé : ( ) Couple : Ox/Red Réduction Oxydant + ne - Oxydation Réducteur Réduction : Ox + n e Red Oxydation : Red Ox + n e 2. Les réactions d oxydoréduction (Voir TP) Définition : Une réaction d oxydoréduction est une réaction de transfert d électron(s) entre un oxydant et un réducteur de couples différents. Les produits de la réaction sont les formes conjuguées des réactifs. L équation de réaction est : oxydant 1 + réducteur 2 réducteur 1 + oxydant 2 Cette équation de réaction est la somme de deux demi-équations de chacun des couples Ox / Red mis en jeu : Ox 1 + n 1 e Red 1 n 2 Red 2 Ox 2 + n 2 e n 1 n 2 Ox 1 + n 1 Red 2 n 2 Red 1 + n 1 Ox 2 (couple Ox 1 / Red 1 ) (couple Ox 2 / Red 2 ) Échange de n 1 n 2 électrons

2 Remarque : tous les électrons cédés par le réducteur du deuxième couple sont captés par l oxydant du premier couple. Par conséquent, il n apparaît aucun électron dans l équation d oxydoréduction. Exercice : l expérience de l arbre de Diane (ci-dessous) Transformation Nitrate d argent chimique 1) Quel est l oxydant? À quel couple appartient-il? 2) Même question pour le réducteur. 3) Écrire les demi-équations électroniques des couples rédox qui interviennent. 4) En déduire l équation de la réaction totale d oxydoréduction. Réponses : 1) Oxydant : ion argent (Ag + ) ; Couple : Ag + (aq) / Ag (s) 2) Réducteur : atome de cuivre () ; Couple : 2+ (aq) / (s) 3) et 4) Demi-équations électroniques et équation de la réaction d oxydoréduction : Ag e Ag ( 2) Couple Ag + (aq) / Ag (s) 2 ( s) ( aq) 2e ( 1) Couple 2+ (aq) / (s) 3. Les piles (Voir TP n 22) 2Ag 2Ag 2 ( s) ( aq ) Schéma simplifié d une pile électrochimique Définitions : La première pile (la pile Volta) Une pile est un générateur électrochimique (conversion d énergie chimique en énergie électrique) dans lequel se déroule une réaction d oxydoréduction entre deux couples redox. Il est constitué de deux parties (appelées demi-piles), reliées par un pont salin, comportant chacune un conducteur métallique (appelés électrode) en contact avec un milieu ionique (conducteur) appelé électrolyte. L une des électrodes est la borne et l autre la borne ; L électrode où se produit une réduction est appelée la cathode ; L électrode où se produit une oxydation est appelée l anode.

3 Fonctionnement d une pile : - À l intérieur de la pile, le passage du courant électrique est assuré par des ions (porteurs de charges) : les cations se déplacent dans le sens du courant (vers la borne ) et les anions se déplacent en sens inverse (vers la borne ) ; - À l extérieur de la pile, le passage du courant électrique est assuré par des électrons (porteurs de charge) : ils se déplacent de la borne vers la borne (sens inverse du sens conventionnel du courant) ; - Le pont salin assure la continuité électrique et la neutralité électrique entres les deux demi-piles. Réactions aux électrodes : Les réactions aux électrodes se déduisent du sens de déplacement des électrons : - Au pôle négatif de la pile, des électrons sont libérés selon la demi-réaction suivante (oxydation) : Red 2 Ox 2 + n 2 e - Au pôle positif de la pile, les électrons qui arrivent sont captés selon la demi-réaction suivante (réduction) : Réaction de fonctionnement : Ox 1 + n 1 e Red 1 Lorsque la pile fonctionne, une réaction chimique à lieu dont l équation correspond au bilan des réactions électrochimiques qui se déroulent à chacune des électrodes de la pile : n 2 Ox 1 + n 1 Red 2 n 2 Red 1 + n 1 Ox 2 La pile transforme donc de l énergie chimique en énergie électrique qu elle transfère au circuit extérieur : c est un générateur électrochimique. Une partie de l énergie libérée est dissipée par effet Joule. Lorsqu on recharge un accumulateur, les espèces chimiques qui ont été consommées aux électrodes sont régénérées : le sens de la réaction d oxydoréduction est inversé grâce à un apport d énergie. Exemple : La pile Daniell En 1836, John Frederic Daniell mit au point une pile à deux compartiments. Cette «pile Daniell» fut utilisée pendant plusieurs décennies et servit même de pile étalon de tension électrique car à 25 C, elle fournit toujours une tension stable de 1,1 V. Facile à étudier au laboratoire, elle n'est cependant plus utilisée de nos jours car l'électrolyte qu'elle contient est liquide. CATHODE (Le métal est consommé et des ions métalliques sont formés) (Des ions métalliques sont consommés et des atomes métalliques sont formés) I I I ANODE À la borne : 2+ (aq) / (s) 2e 2 À la borne : Zn 2+ (aq) / Zn (s) Zn 2 ( s) Zn( aq) 2e Demi-pile 1 (Électrolyte 1) Demi-pile 2 (Électrolyte 2)

4 Borne (REDUCTION) Lame de cuivre trempant dans une solution de sulfate de cuivre (II) : 2 2 ( ) ( aq) SO4 ( aq ) Réaction à l électrode : 2e 2 Pont salin : Gel de nitrate de potassium ou de nitrate d ammonium Borne (OXYDATION) Lame de zinc trempant dans une solution de sulfate de zinc (II) : 2 2 ( Zn ) ( aq) SO4 ( aq ) Réaction à l électrode : Zn 2 ( s) Zn( aq) 2e Réaction globale d oxydoréduction : Zn Zn 2 2 ( s) ( aq) Deux moles d électrons sont échangées au cours de la réaction entre une mole d ions cuivre (II) et une mole d atomes de zinc. Remarque : il existe plusieurs types de piles Les piles salines et alcalines : Électrolyte Pile saline Chlorure d ammonium (NH 4 Cl) (composé ionique appelé autrefois sel d'où le nom de Saline) Pile alcaline Potasse (KOH) (le potassium étant un Métal Alcalin d'où le nom d'alcaline) Tension Maximale (f.e.m.) 1,5 V 1,5 V Temps de décharge Rapport qualité/prix 20 à 25 heures Se décharge de manière régulière de 1,5 V à 0 V Moins chère qu'une pile alcaline mais moins performante 50 à 60 heures Se décharge de 1,5 V et 1,2 V au bout d'une dizaine d'heures, puis sa tension reste constante à 1,2 V une quarantaine d'heures, avant de décroître régulièrement de 1,2 V à 0 V Plus chère qu'une pile saline mais plus performante Les batteries d accumulateurs de voiture : Source : Une batterie au plomb se caractérise essentiellement par : La tension nominale U qui dépend du nombre d'éléments ; La capacité de stockage, notée Q : quantité d'énergie disponible. Elle s'exprime en ampère-heure ; Le courant maximal qu'elle peut fournir pendant quelques instants, ou courant de crête. Les réactions électrochimiques aux électrodes sont les suivantes : Anode (borne ) : Pb HSO PbSO H 2e (oxydation) ( s) 4 4 ( aq ) aq ( ) ( s ) Cathode (borne ) : PbO HSO 3H 2e PbSO 2H O 4 ( aq) 4 2 ( s) 2 ( l ) ( aq ) ( s ) (réduction)

5 Les piles à combustible : Couple H + (aq) / H 2(g) H 2 (g) 2 H + (aq) + 2 e (oxydation) Couple O 2 (g) / H 2 O (l) O 2 (g) + 4 H + (aq) + 4 e 2 H 2 O (l) (réduction) L équation de la réaction globale d oxydoréduction s écrit alors : 4. Les réactions d oxydoréduction par voie sèche 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (l) Dans certaines réactions d'oxydoréduction, notamment en phase sèche (c'est-à-dire en milieu non aqueux, souvent à haute température), il n'y a pas de transfert évident d'électron. Par exemple, la combustion d une espèce chimique dans le dioxygène est aussi appelée une oxydation. Se déroulant en l absence d eau elle est dite «par voie sèche». Il s agit d une réaction d oxydoréduction par échange d atome(s) d oxygène dans laquelle : - Le réducteur est l espèce chimique qui capte de l oxygène ; - L oxydant est l espèce chimique qui fournit de l oxygène. 5. Applications La voiture électrique : Moteur électrique Batterie lithium-ion Réservoir de dihydrogène Pile à combustible Module à hydrogène Source : Mercedes-Benz

6 La photocatalyse : C est un phénomène naturel dans lequel une substance, appelée photocatalyseur, accélère la vitesse d'une réaction chimique sous l'action de la lumière (naturelle ou artificielle). En utilisant l'énergie lumineuse, l'eau et l'oxygène de l'air, les photocatalyseurs engendrent la formation de molécules très réactives (appelées radicaux libres), capables de décomposer certaines substances, organiques et inorganiques, présentes dans l'atmosphère et parfois nocives, en composés totalement inoffensifs par oxydoréduction. Une société qui fabrique du ciment a mis au point une gamme de béton dépolluant à base contenant un photocatalyseur : l'oxyde de titane (TiO 2 ) qui est un catalyseur chimiquement stable, non toxique et économique. La réaction photocatalytique a lieu à la surface du matériau et se déroule en plusieurs phases (voir vidéo). Autres applications : mur anti-pollution, enduit photocatalytique, purificateur d'air photocatalytique Pot catalytique : Le pot catalytique ou catalyseur est une amélioration récente du pot d'échappement des moteurs à combustion interne. Il est constitué d'une chambre d'acier inoxydable dans laquelle sont conduits les gaz d'échappement, lesquels traversent les conduites plus ou moins "capillaires" d'une structure en nid d'abeille généralement faite en céramique. Source : Ekopedia.org Les éléments catalyseurs déclenchent ou accentuent des réactions chimiques qui tendent à transformer les constituants les plus toxiques des gaz d'échappement (monoxyde de carbone, hydrocarbures imbrûlés, oxydes d'azote), en éléments moins toxiques (eau et CO 2 ). Vue de la structure interne d'un pot catalytique - Réduction des oxydes d'azote en azote et en dioxyde de carbone : 2 NO + 2 CO N CO 2 - Oxydation des monoxydes de carbone en dioxyde de carbone : 2 CO + O 2 2 CO 2 - Oxydation des hydrocarbures imbrulés en dioxyde de carbone et en eau : Protection contre la corrosion : 4 C x H y + (4x + y) O 2 4x CO 2 + 2y H 2 O La corrosion désigne l ensemble des phénomènes d altération d un matériau par réaction chimique avec un oxydant. On parle de corrosion sèche si l oxydant est sous forme gazeuse (dioxygène de l air par exemple) et de corrosion humide si l oxydant est en solution (ion H + par exemple).

7 & : Les tubes d'un pipe-line sont reliés à intervalles réguliers, par voie électrique, avec des blocs métalliques constitués de Mg, AI, Zn ou éventuellement de graphite. Ces électrodes (qui constituent des anodes, les tubes en fer constituent alors les cathodes) sont enfoncées dans le sol avec la canalisation en fer et sont sacrifiées pour protéger cette dernière contre la corrosion. Inconvénients : le bloc de corrosion (Zn, Mg, Al, ) subit une corrosion très rapide et doit par conséquent être remplacé régulièrement et les produits de la corrosion (ions Zn 2+ ou ions Al 3+ ou ) sont très polluants. : Soudage de blocs de zinc (Zn) sur la coque en acier d'un navire ou sur les montants d'une plate-forme de forage. Le zinc, encore plus que le fer, a tendance à jouer le rôle de réducteur par rapport à O 2 dissous dans l'eau : il s oxyde avant le fer. Inconvénients : mêmes inconvénients que &. Les objectifs de connaissance : Chapitre 19 : Oxydoréduction - Définir un oxydant et un réducteur ; - Définir un couple Oxydant / Réducteur. Les objectifs de savoir-faire : - Reconnaître l oxydant et le réducteur d un couple ; - Écrire et exploiter l équation d une réaction d oxydoréduction ; - Réaliser une pile et modéliser son fonctionnement. Je suis capable de Oui Non - Définir les mots : oxydant, réducteur, couple redox, oxydation, réduction, réaction d oxydoréduction, pile, cathode, anode. - Reconnaître un oxydant d un réducteur. (cf. 1) - Écrire la demi-équation d oxydoréduction (ou électronique d un couple redox. (cf. 1) - Écrire l équation d une réaction d oxydoréduction. (cf. 2) - Retrouver les bornes d une pile et les demi-équations qui s y déroulent. (cf. 3) - Expliquer le rôle d un pont salin dans une pile. (cf. 3)