Oxydoréduction en solution aqueuse I / Présentation Un métal est un corps simple donc il est formé d un seul élément, il possède une bonne conductibilité électrique et thermique. Généralement les atomes métalliques donne des ions positifs ( des cations ) Atome Ion métallique Fer : Fe Fe 2+ ou Fe 3+ Potassium : K K + Or : Au Au 3+ Cuivre : Cu Cu 2+ Calcium : Ca Ca 2+ II/ Action des acides sur les métaux On va étudier l action des ions hydronium ( H 3 O + ) sur les métaux NB : Les ions ( H 3 O + ) provient de l ionisation d un acide AH dans l eau ( AH + H 2 O A - + H 3 O + ) 1) Réaction sur le fer a) Expérience : Un bouchon Dans un tube à essai contenant de la poudre de fer (voir figure), versons 3 cm 3 d'une solution d'acide chlorhydrique ( HCl ) molaire. ( C = 1 mol.l -1 ) Nous observons un dégagement gazeux de dihydrogène qui donne une petite explosion, produisant un léger chuintement caractéristique lorsqu'on approche une flamme. Prélevons un peu de mélange obtenu (voir figure), et ajoutons de l'eau pour le diluer, et faire augmenter le ph (qui est très acide). Ajoutons, dans la solution limpide ainsi obtenue, un peu de solution d'hydroxyde de sodium( NaOH ). Un précipité vert apparaît, mettant en évidence la présence d'ions fer II ( Fe 2+ ) b) Interprétation Dans cette expérience on peut considérer que tout se passe comme si des ions hydronium (H 3 O + ) captaient des électrons (e ) pour former du dihydrogène( H 2 ) On peut traduire cette réaction par une demi-équation qui met en évidence le rôle des électrons : Le fer métallique a été transformé en ion fer II :
c) Equation bilan Les électrons n'existent pas à l'état libre dans l'eau, il y a transfert direct d'électrons du fer aux ions hydronium. L'équation-bilan de cette réaction est la somme des deux demi-équations : 2) Action sur d'autres métaux: a) Le zinc : Nous pouvons réaliser le même type d'expérience avec le zinc en poudre (pas trop fine). Nous observons un dégagement gazeux de dihydrogène (petite explosion à la flamme). Des ions zinc II se forment, ils donnent un précipité blanc d'hydroxyde de zinc, si nous ajoutons à la solution quelques gouttes de soude. On peut écrire : b) Le plomb : Avec le plomb en grenaille, nous réalisons la même expérience. Nous observons un dégagement gazeux très faible de dihydrogène (nécessité d'utiliser un bouchon sur le tube pour accumuler le gaz et obtenir la petite explosion à la flamme). Des ions plomb II se forment, mais ils réagissent avec les ions chlorure ( Cl - )et protègent ainsi le plomb d'une attaque en profondeur. Il faut utiliser de l'acide éthanoïque pour pouvoir mettre en évidence la formation des ions plomb II. On peut écrire : c) Le cuivre : Dans un tube à essai contenant des copeaux de cuivre on verse 3 cm 3 d'acide chlorhydrique ou d'acide sulfurique. ( H 2 SO 4 ) rien ne se produit! Même en attendant longtemps, une solution normale de chlorure d'hydrogène ou d'acide sulfurique ne donne pas de réaction. Les ions hydronium sont sans action sur le cuivre. 3) Conclusion: Les ions hydronium réagissent sur certains métaux (Zn, Fe, Pb...) pour donner du dihydrogène et des ions métalliques. Les ions hydronium sont sans action sur d'autres métaux comme le cuivre.
III/ Action d un cation métallique sur un métal 1) Action du zinc sur les ions cuivre II: a) Expériences : Dans un bécher contenant une lame de zinc, versons une solution de sulfate de cuivre II ( CuSO 4 ) (voir figure) La lame de zinc se recouvre rapidement d'une pellicule brun-rouge de cuivre sous forme naissante, et la solution de sulfate de cuivre se décolore, ce qui indique la disparition des ions cuivre II. ( bleu ) Solution incolore b) Interprétation : Nous dirons qu'il se produit un transfert d'électrons du zinc aux ions cuivre II. D'où : Pour l'élément cuivre : Pour l'élément zinc : Les électrons n'existant pas à l'état libre dans l'eau, on a en fait : Remarque : La réaction inverse ne se produit pas : le cuivre est sans action sur les ions zinc. 2) Réaction entre les ions argent et le cuivre: a) Expériences : Dans un bécher contenant une lame de cuivre, versons une solution de nitrate d'argent. (voir figure) La lame de cuivre se recouvre rapidement d'une poudre grise d'argent métallique sous forme naissante, les ions argent sont passés sous forme métallique. Dans le même temps, du cuivre passe sous forme d'ions cuivre II, la solution se teinte légèrement en bleu. Nous pouvons mettre en évidence la formation d'ions cuivre II par précipitation. b) Interprétation : De l'argent métallique se dépose sur le cuivre : Solution se colore en bleu Le cuivre métallique s'est transformé en ions cuivre II : On peut résumer les deux demi-équations par une équation bilan : 3) Réaction entre les ions cuivre et l'argent: Nous pouvons réaliser l'expérience suivante : dans un tube à essai contenant un fil d'argent nous versons jusqu'à la moitié du fil, une solution de sulfate de cuivre. Rien ne se produit! Les ions cuivre II n'attaquent pas le métal argent.
IV/ Oxydoréduction 1) Définition Une réaction dans laquelle il y a un transfert d'électrons d'un réactif à un autre est une réaction d'oxydoréduction. Au cours de la réaction d'oxydoréduction : - Le réducteur est une espèce chimique qui cède des électrons - L'oxydant est une espèce chimique qui capte des électrons. Exemple : On peut mettre en évidence l'oxydation et la réduction ( Cu 2+ + 2e - Cu ) ( Zn Zn 2+ + 2e - ) NB : La réduction correspond à la formation d un réducteur ( dans ce cas la formation de Cu ) L oxydation correspond à la formation d un oxydant ( dans ca cas la formation de Zn 2+ ) Dans une réaction d'oxydoréduction, il y a simultanément une oxydation et une réduction. Le réducteur réduit l'oxydant en s'oxydant et l'oxydant oxyde le réducteur en se réduisant! 2) Couple oxydoréducteur: Un couple oxydoréducteur est l'ensemble composé d'un oxydant et d'un réducteur, formés à partir d'un même élément. Exemple : L'ion cuivre II (Cu 2+ ) et le cuivre (Cu) forme un couple oxydoréducteur qu'on notera Cu 2+ /Cu. Conventionnellement l'oxydant est écrit en premier. Le passage de l'oxydant au réducteur dépend de la réaction mise en jeu. La demi-équation montre le rôle des électrons qui transforment l'oxydant en réducteur. Exemple : ( Cu 2+ : oxydant et Cu : réducteur ) D'une façon générale, on peut écrire : Nous avons déjà étudié les couples oxydoréducteurs : H 3 O + /H 2 ; Zn 2+ /Zn; Fe 2+ /Fe; Cu 2+ /Cu; Ag + /Ag et Pb 2+ /Pb 3) Etude du couple Fe 3+ / Fe 2+ Pour passer d'un ion fer III à un ion fer II il faut un transfert d'électron : Les ions Fe 3+ et Fe 2+ forment donc un couple oxydoréducteur. Pour réduire les ions Fe 3+ en ions Fe 2+, on peut utiliser un réducteur comme Fe, Cu, Ni, Pb, etc. Choisissons le fer. Versons quelques ml d'une solution aqueuse de chlorure de fer III sur un peu de poudre de fer et agitons vigoureusement, puis laissons reposer (voir figure). Lorsqu'on verse dans le mélange une solution de soude, il apparaît un précipité vertqui met en évidence la présence d'ions fer II (Fe 2+ ) et une absence d'ion fer III (Fe 3+ ).
Au départ, deux couples sont présents dans le tube à essais : le couple Fe 3+ /Fe 2+ et le couple Fe 2+ /Fe. Les demi-équations correspondant aux transformations chimiques sont : Equation-bilan