La classification quantitative des couples oxydants réducteurs Niveau : 12 Durée Pré requis : - Oxydoréduction - couple oxydant-réducteur Objectifs : connaissances de la notion de potentiel d un couple oxydant réducteur et savoir constituer des demi piles, savoir les associer pour constituer des piles et mesurer leur force électromotrice matériels : des béchers, 1 voltmètre de bonne qualité( résistance interne très grande, c est à dire plusgrande que 150 MW= Un petit morceau de tissu imbibé de KCl ou de SO4 Produits : - une lame de zinc bien nettoyée et grattée -une lame ou un fil de cuivre bien nettoyée et grattée - une lame de fer - Solutions de sulfate de cuivre, SO 4, C = 1mol.L -1 - solution de sulfate de zinc SO 4, C = 1mol.L -1 - solution de sulfate de fer(ii) ou mieux de sel de Mohr saturée - solution d acide chlorhydrique concentrée : C = 1mol.L -1 ou C = 2mol.L -1 Mots clés : Déroulement: Activités du professeur Le professeur fait le montage : - Il relie les deux cuves par un petit morceau de tissu imbibé de KCl ou à défaut d une des deux solutions. - Il plonge la lame de zinc dans la solution de SO 4 et la lame de cuivre dans la solution de SO 4 - il relie les deux lames de zinc et de cuivre par un voltmètre (Ce montage s apparente à la pile Daniell) Remarque : on place le voltmètre au hazard, s il indique une tension négative, on change le sens. Quand le voltmètre dévie ou indique une tension positive, le professeur demande : 1 Où est la borne positive et la borne négative Activités des élèves Les élèves copient le schéma de montage dans leur cahier + SO 4 - + Pont KCl + SO 4 la borne + est la lame de cuivre et la borne est la lame de zinc du cuivre vers le zinc
3 Quel est le trajet des électrons? 4 Pourquoi les électrons se déplacentils? 5 Classer les couples / et / et noter la tension La lame de zinc libère les électrons et les ions les absorbent selon les équations : au pôle + + 2e - au pôle : + 2e Les électrons se déplacent du à parce que le pouvoir réducteur de est plus Remarque : si la température du laboratoire est de l ordre de 25 C et si la résistance du voltmètre est très grande, la tension est égale à la force électromotrice et est de l ordre de 1,1. E 1 =1,1 Pour bien faire le tableau de potentiel d oxydoréduction, le professeur fait plusieurs expériences avec des solutions et des lames métalliques différentes. Si possible il groupe les élèves en 2 ou 3 groupes et chaque groupe fait une expérience Pour le premier groupe : solution utilisée sulfate de cuivre et sel de Mohr SO 4 (NH 4 )2SO 4,6H 2 O remarque : on emploie le sel de Mohr à la place de SO 4 parce que SO 4 est moins soluble et parce que les ions r(ii) y sont rapidement oxydés en ions fer(iii) lames métalliques utilisées : et Le professeur demande aux élèves de faire le montage solution de sel de Mohr ( ) + - Pont KCl + SO 4 1 Où est la borne positive et la borne négative 2 Quel est le sens du courant? 3 Quel est le trajet des électrons? 4 Pourquoi les électrons se déplacentils? 5 Classer les couples / et / et noter la tension la borne + est la lame de cuivre et la borne est la lame de fer du fer vers le cuivre La lame de fer libère les électrons et les ions les absorbent Les électrons se déplacent de à parce que le pouvoir réducteur de est plus grand que celui de E 2 =0,78
Pour le deuxième groupe : solution utilisée : sulfate de zinc et sel de Mohr SO 4 (NH 4 )2SO 4,6H 2 O lames utilisées : lame de zinc et lame de fer un morceau de tissu imbibé de KCl Le professeur demande aux élèves de faire le montage solution de sel de Mohr ( ) - + Pont KCl + SO 4 1 Où est la borne positive et la borne négative 2 Quel est le sens du courant? 3 Quel est le trajet des électrons? 4 Pourquoi les électrons se déplacentils? 5 Classer les couples / et / et noter la tension la borne + est la lame de fer et la borne est la lame de zinc du fer vers le zinc Les électrons passent de à : au pôle + + 2e - au pôle : + 2e Les électrons se déplacent de à parce que le pouvoir réducteur de est plus grand que celui de E 3 =0,32 II le professeur doit faire une expérience pour vérifier l existence du couple H 3 O + /H 2 (pile à hydrogène). solution utilisée : solution d acide chlorhydrique assez concentré (c = 1 mol.l-1= quelques grenailles de zinc bien propres (sinon le zinc est oxydé et il n y a pas de dégégement d hydrogène. un fil de cuivre un entonnoir le professeur fait le montage fil de cuivre bulles d hydrogène solution d acide chlorhydrique grenaille de zinc
Le professeur demande aux élèves ce qu il se passe. Le professeur demande aux élèves d écrire les équations des réactions. Quels couples d oxydoréduction interviennent dans ces réactions? Le professeur fait des remarques : Le couple H 3 O + /H 2 est le couple de référence. son potentiel est posé égal à 0 E 0 + H3O / H 2 = 0 Il se dégage de l hydrogène; Un élève écrit les équations des réactions : 2HCl + 2H 2 O 2H 3 O + + 2Cl - + 2e - 2H 3 O + + 2e - H 2 + 2H 2 O Il esiste le couple / et le couple H 3 O + /H 2 Le professeur fait une autre expérience pour montrer le potentiel du couple / (comme un exemple de couple M n+ /M) par rapport au couple H 3 O + /H 2 solutions utilisées : solution d acide chlorhydrique assez concentrée (c = 1mol.L -1 ) solution de sulfate de cuivre quelques grenailles de zinc bien propres 1 lame de cuivre et un fil de cuivre 1 voltmètre de bonne qualité un morceau de tissu imbibé de KCl Le professeur demande aux élèves de faire le montage fil de cuivre pont (KCl) cuivre solution d acide chlorhydrique Le professeur demande aux élèves de noter la valeur de E et de marquer la place de / par rapport à H 3 O + /H 2 Remarque : La différence entre les valeurs de E obtenues par l indication du voltmètre et celles du tableau proviennent de la concentration des solutions et de la qualité du volt- grenaille de zinc H 3 O + H 2 E 4 =0,34 bulles d hydrogène solution de sulfate de cuivre
Le professeur demande aux élèves de rassembler toutes les valeurs de E trouvées dans les expériences déjà faites et de calculer la valeur E de chaque couple en utilisant : E 4 = - H2 = 0,34 E 4 E 2 H 3 O + H 2 E 1 =1,1 E 3 calcul de E 4 calcul de E 2 = + / / / = / / / 2 + 2 / = E / 4 + H O H O = 0,34 + 0 = 0,34 / / = / = 0,34 0,78 = 0,44 3 3 - E + 2 + / /H /H 2 2 = 0,78 Le professeur demande à un élève de tracer un axe et de marquer les valeurs des potentiels des couples précédents trouvés d après les calculs calcul de E 1 + = 2 / / / / / = / = 0,34 1,1 = 0,76 / - E 1 = 1,1 Un élève va le faire au tableau et les autres le font dans leur cahier
/ 0,34 H 3 O + / H 2 0 / -0,44 Le professeur donne le tableau des potentiels normaux des couples oxydants réducteur les plus courants (ci-joint) Remarque : les conditions d obtention des potentiels normaux sont les suivants : concentrations molaires des espèces ioniques en solution aqueuses égales à 1mol.L -1 Les pressions des espèces chimiques à l état gazeux sont égales à 10 5 Pa ph = 0 si le milieu comporte des ions H 3 O + ([H 3 O + ] = 1mol.L -1 Application : pile «au citron» Matériel : - 3 ou 4 demi citrons - un voltmètre de bonne qualité - 3 ou 4 lames de zinc (autant que de demi citrons) - 3 ou 4 mines de crayon ou des électrodes en graphite de piles. (Si le professeur emploie du graphite de pile, il faut le tremper dans l eau et le rincer plusieurs fois pour enlever le MnO2 - du fil conducteur Le professeur fait le montage / -0,76 Les élèves font le schéma de montage dans leur cahier Le professeur demande aux élèves d observer ce qu il se passe. C C C C demi citrons Le professeur explique que le phénomène est de même type que dans les expériences précédentes Les élèves observent que l aiguille du voltmètre dévie
Exercice On veut fabriquer une pile avec du nitrate d argent AgNO 3 et du sulfate de cuivre SO 4, une électrode en argent et une autre électrode en cuivre 1 relever dans le tableau les potentiels normaux des couples Ag + /Ag ; / 2 Faire le schéma de la pile 3 Calculer la force électromotrice de cette pile 1 E Ag+/Ag = 0,8 E / = 0,34 2 schéma de la pile: Pont KCl Ag + SO 4 Ag + +NO 3-3 calcul de la f.e.m de la pile : e =E Ag+/Ag - E / = 0,80-0,34 e = 0,46
Potentiels normaux d oxydoréduction Couple Oxydant Demi équation électronique potentiel réducteur π 0 en volts F 2 /F - F 2 + 2 e- 2 F - +2,87 S 2 O 8 /SO 4 S 2 O 8 + 2 e - 2 SO 4 +2,1 H 2 O 2 /H 2 O H 2 O 2 + 2H 3 O + + 2 e - 4 H 2 O +1,77 ClO - /Cl - ClO - + 2H 3 O + aq + 2 e - Cl - + 3H 2 O +1,71 MnO - 4 /Mn - MnO 4 + 8H 3 O + + 5 e - Mn + 12 H 2 O +1,49 Au 3+ /Au Au 3+ + 3 e - Au +1,42 Cl 2 /Cl - Cl 2 + 2 e - 2Cl - +1,36 Cr 2 O 7 /Cr 3+ Cr 2 O 7 +14 H 3 O + + 6 e - 2 Cr 3+ + 21 H 2 O +1,33 O 2 /H 2 O O 2 + 4 H 3 O + + 4 e - 6 H 2 O +1,23 Br 2 /Br - Br 2 + 2 e - 2Br - +1,07 NO - 3 /NO - NO 3 + 4 H 3 O + aq + 3 e - NO + 6 H 2 O +0,96 Hg /Hg Hg + 2 e - Hg +0,85 Ag + /Ag Ag + + e - Ag +0,80 3+ / 3+ + e - +0,77 O 2 /H 2 O 2 O 2 + 2H 3 O + aq + 2 e - H 2 O 2 + 2 H 2 O +0,68 I 2 /I - I 2 + 2 e - 2I - +0,53 / + 2 e - +0,34 / + + e - + +0,15 SO 4 /SO 2 SO 4 + 4 H 3 O + aq + 2 e - SO 2 + 6 H 2 O +0,15 S 4 O 6 /S 2 O 3 S 4 O 6 + 2 e - 2 S 2 O 3 +0,09 H 3 O + /H 2 2H 3 O + + 2 e - H 2 + 2 H 2 O 0 Pb /Pb Pb + 2 e - Pb -0,12 Sn /Sn Sn + 2 e - Sn -0,14 Ni /Ni Ni + 2 e - Ni -0,25 Co /Co Co + 2 e - Co -0,28 / + 2 e - -0,44 Cr 3+ /Cr Cr 3+ + 3 e - Cr -0,74 +1 / + 2 e - -0,76 Al 3+ /Al Al 3+ + 3 e - Al -1,67 Mg /Mg Mg + 2 e - Mg -2,37 Na + /Na Na + + e - Na -2,71 Li + /Li Li + + e - Li -3,04