Chapitre 4 Oxydo-réduction - Académie de Montpellier

1 Tle STL SPCL Chimie et d veloppement durable Fiche de synth se - Chapitre 4 : oxydo-r duction 1 Chapitre 4 Oxydo-r duction 1. Oxydants et r ducteurs (Rappels de Tle STL PCM) D finition Un oxydant, not Ox, est une esp ce chimique qui peut capter un ou plusieurs lectrons. Un r ducteur, not Red, est une esp ce chimique qui peut c der un ou plusieurs lectrons. Exemples : - L ion cuivre (II) Cu2+ peut capter deux lectrons pour donner le cuivre Cu. L ion Cu2+ est donc un oxydant. - l inverse, le cuivre Cu peut c der deux lectrons pour donner l ion Cu2+. Le cuivre Cu est donc un r ducteur. Remarque : Il existe un moyen mn motechnique permettant de ne pas confondre oxydant et r ducteur. On dit que l oxydant prend et que le r ducteur donne. Couple oxydant / r ducteur et demi- quation lectronique tout oxydant est associ un r ducteur, reli s par la demi- quation lectronique : Ox + n e Red n correspond au nombre d lectrons chang s. L oxydant et le r ducteur, reli s par cette demi- quation lectronique, forment alors un couple oxydant / r ducteur, not Ox / Red et aussi appel couple redox.

2 Exemple : L ion cuivre (II) Cu2+ et l atome de cuivre Cu forment un couple oxydant / r ducteur not Cu2+(aq) / Cu(s). Ils sont reli s par la demi- quation lectronique : Cu2+(aq) + 2 e Cu(s) Remarque : Des protons H+ et des mol cules d eau peuvent galement intervenir dans la demi- quation lectronique. Exemple : L ion permanganate MnO4 et l ion mangan se (II) Mn2+ forment un couple oxydant / r ducteur not MnO4 (aq) / Mn2+(aq). Ils sont reli s par la demi- quation lectronique : MnO4 (aq) + 8 H+(aq) + 5 e Mn2+(aq) + 4 H2O(l) Dans ce second exemple, l criture de la demi- quation lectronique est bien moins intuitive que dans le cas du cuivre. Pour l obtenir, on peut alors utiliser la m thodologie suivante : tape 1 : - On crit de part et d autre de la double fl che les deux partenaires du couple ; - On assure la conservation des l ments autres que l hydrog ne et l oxyg ne. MnO4 (aq) + 8 H+(aq) + 5 e Mn2+(aq) + 4 H2O(l) Ici, chaque esp ce poss de un unique atome de magn sium.

3 Il n est donc pas n cessaire d ajuster avec des nombres stoechiom (l) Tle STL SPCL Chimie et d veloppement durable Fiche de synth se - Chapitre 4 : oxydo-r duction 2 tape 2 : On assure la conservation de l l ment oxyg ne avec des mol cules d eau H2O. MnO4 (aq) + 8 H+(aq) + 5 e Mn2+(aq) + 4 H2O(l) L ion permanganate poss de quatre atomes d oxyg ne, la mol cule d eau un. On ajoute donc quatre mol cules d eau pour avoir le m me nombre d atomes d oxyg ne de part et d autre de la double fl che. tape 3 : On assure la conservation de l l ment hydrog ne avec des protons H+. MnO4 (aq) + 8 H+(aq) + 5 e Mn2+(aq) + 4 H2O(l) Une mol cule d eau poss de deux atomes d hydrog ne. Puisqu il y a quatre mol cule d eau droite de la double fl che, on ajoute huit protons gauche pour assurer la conservation en l ment hydrog ne. tape 4 : On assure la conservation de la charge lectrique avec des lectrons e . MnO4 (aq) + 8 H+(aq) + 5 e Mn2+(aq) + 4 H2O(l) gauche de la double fl che, il y a initialement une charge n gative et huit charges Soit un total de sept charges positives.

4 Droite, on d nombre uniquement deux charges positives. On ajoute ainsi 5 lectrons gauche pour r tablir la conservation de la charge. 2. Les r actions d oxydor duction D finition Dans une r action d oxydor duction, les r actifs sont un oxydant et un r ducteur de deux couples oxydant / r ducteur diff rents. Un transfert d lectrons s tablit donc entre ces deux r actifs. Exemple : Les ions zinc (II) Zn2+(aq) sont susceptibles de r agir avec l aluminium Al(s) pour donner le zinc Zn(s) et les ions aluminium Al3+(aq), selon une r action d oxydor duction. Les ions Zn2+(aq) appartiennent au couple : Zn2+(aq) / Zn(s), l aluminium Al(s) au couple : Al3+(aq) / Al(s). Les ions Zn2+(aq) jouent donc le r le d oxydant et l aluminium Al(s) de r ducteur. Pour obtenir l quation de cette r action, on peut utiliser la m thodologie suivante : tape 1 : On crit les deux demi- quations lectroniques relatives aux couples oxydant / r ducteur mis en jeu (voir paragraphe ).

5 Al3+(aq) + 3 e Al(s) Zn2+(aq) + 2 e Zn(s) tape 2 : On place les r actifs gauche des deux doubles fl ches. Al(s) Al3+(aq) + 3 e Zn2+(aq) + 2 e Zn(s) Pour cela, on inverse juste le sens d criture de la demi- quation dont le r ducteur, ici Al(s), joue le r le de r actif. tape 3 : Le nombre d lectrons lib r s, lors du passage de l aluminium Al(s) aux ions Al3+(aq), doit tre identique au nombre d lectrons capt s lors du passage des ions Zn2+(aq) au zinc Zn(s). On multiplie ainsi chaque demi- quation lectronique par un coefficient nous permettant d aboutir cela. (Al(s) Al3+(aq) + 3 e ) 2 (Zn2+(aq) + 2 e Zn(s)) 3 Tle STL SPCL Chimie et d veloppement durable Fiche de synth se - Chapitre 4 : oxydo-r duction 3 tape 4 : On additionne les deux demi- quations lectroniques pour obtenir l quation de la r action, les lectrons chang s n apparaissant pas. (Al(s) Al3+(aq) + 3 e ) 2 (Zn2+(aq) + 2 e Zn(s)) 3 2 Al(s) + 3 Zn2+(aq) 2 Al3+(aq) + 3 Zn(s) Remarque : L aluminium Al(s) est ici transform en l ion Al3+(aq), l oxydant du couple Al3+(aq) / Al(s).

6 On dit que l aluminium est oxyd ou encore qu il subit une oxydation. Les ions Zn2+(aq) sont eux transform s en zinc Zn(s), le r ducteur du couple Zn2+(aq) / Zn(s). On dit que les ions Zn2+(aq) sont r duits ou encore qu ils subissent une r duction. L un des deux r actifs subit ainsi une oxydation, l autre une r duction. D o le nom de r action d oxydor duction ! Les r actions d oxydor duction en milieu acide ou basique Exemple de r action se d roulant en milieu acide : Le peroxyde d hydrog ne H2O2(aq) r agit avec les ions permanganate MnO4 (aq) pour donner du dioxyg ne gazeux O2(g) et des ions mangan se (II) Mn2+(aq). Couples mis en jeu : 4 (aq) / Mn2+(aq) et O2(g) / H2O2(aq) On obtient l quation de la r action en appliquant la m thode pr c dente : (MnO4 (aq) + 8 H+(aq) + 5 e Mn2+(aq) + 4 H2O(l)) 2 (H2O2 (aq) O2 (aq) + 2 H+(aq) + 2 e ) 5 2 MnO4 (aq) + 5 H2O2(aq) + 16 H+(aq) 2 Mn2+(aq) + 5 O2(g) + 8 H2O(l) + 10 H+(aq) Ce qui nous donne, en simplifiant par les ions H+(aq) de part et d autre de la fl che : 2 MnO4 (aq) + 5 H2O2(aq) + 6 H+(aq) 2 Mn2+(aq) + 5 O2(g) + 8 H2O(l) Cette r action n cessite des protons H+(aq).

7 Elle se d roule donc en milieu acide. Tous les couples oxydant / r ducteur ne peuvent cependant pas exister dans un tel Certains couples n voluent, en effet, qu en milieu basique. Exemple de r action se d roulant en milieu basique : On s int resse d sormais l oxydation des ions cyanure CN (aq) par les ions permanganate MnO4 (aq). Couples mis en jeu : 4 (aq) / MnO2(s) et CNO (g) / CN (aq) Cette r action se d roule uniquement en milieu basique. Pour obtenir son quation, on commence par appliquer la m me m thode que pr c demment : (MnO4 (aq) + 4 H+(aq) + 3 e MnO2(s) + 2 H2O(l)) 2 (CN (aq) + H2O(l) CNO (aq) + 2 H+(aq) + 2 e ) 3 2 MnO4 (aq) + 3 CN (aq) + 3 H2O(l) + 8 H+(aq) 2 MnO2(s) + 3 CNO (aq) + 4 H2O(l) + 6 H+(aq) Ce qui nous donne, en simplifiant par les ions H+(aq) et les mol cules d eau de part et d autre de la fl che : 2 MnO4 (aq) + 3 CN (aq) + 2 H+(aq) 2 MnO2(s) + 3 CNO (aq) + H2O(l) Une fois cette quation obtenue, on ajoute de chaque c t de la fl che autant d ions hydroxyde HO (aq) qu il y a de protons H+(aq) dans l quation.

8 2 MnO4 (aq) + 3 CN (aq) + 2 H+(aq) + 2 HO (aq) 2 MnO2(s) + 3 CNO (aq) + H2O(l) + 2 HO (aq) Tle STL SPCL Chimie et d veloppement durable Fiche de synth se - Chapitre 4 : oxydo-r duction 4 La combinaison d un proton H+(aq) avec un ion hydroxyde HO (aq) conduit une mol cule d eau H2O(l). L quation de la r action s crit alors : 2 MnO4 (aq) + 3 CN (aq) + 2 H2O(l) 2 MnO2(s) + 3 CNO (aq) + H2O(l) + 2 HO (aq) Ce qui, apr s simplification par les mol cules d eau, nous donne : 2 MnO4 (aq) + 3 CN (aq) + H2O(l) 2 MnO2(s) + 3 CNO (aq) + 2 HO (aq) Utilisation en chimie organique Test la liqueur de Fehling : Le test la liqueur de Fehling est un test couramment utilis en chimie organique pour mettre en vidence la pr sence d ald hyde. La liqueur de Fehling est une solution aqueuse constitu e d ions cuivre (II) Cu2+ en milieu basique. Ces ions Cu2+(aq) r agissent avec les ald hydes (de formule R-CHO) selon l quation : R-CHO(aq) + 2 Cu2+(aq) + 5 HO (aq) R-COO (aq) + Cu2O(s) + 3 H2O(l) Au cours de cette r action, l ald hyde est oxyd en ion carboxylate R-COO (aq) et les ions cuivre (II), conf rant une couleur bleu la solution, sont r duit en un pr cipit rouge brique : l oxyde de cuivre Cu2O(s).

9 Test du miroir d argent : Une solution de Tollens peut galement tre utilis e pour caract riser les ald hydes. Cette solution est constitu e d ions argent (I) Ag+ en milieu ammoniacal (et donc ). Les ions Ag+(aq) r agissent avec les ald hydes selon l quation : R-CHO(aq) + 2 Ag+(aq) + 3 HO (aq) R-COO (aq) + 2 Ag(s) + 2 H2O(l) Lors de cette r action, l ald hyde est de nouveau oxyd en ion carboxylate R-COO (aq) et les ions argent (I) sont r duits. Un d p t d argent se forme alors sur les parois du tube voquant un miroir. Tle STL SPCL Chimie et d veloppement durable Fiche de synth se - Chapitre 4 : oxydo-r duction 5 3. Potentiel d un couple oxydant / r ducteur Principe de mesure Une pile est constitu e de deux demi-piles et d un pont salin (qui permet la circulation du courant dans la pile en assurant l lectroneutralit des solutions). Chacune de ces deux demi-piles contient les deux membres d un couple redox auquel est associ un potentiel not E et exprim en volts (V).

10 Ce potentiel peut- tre positif ou n gatif. Le potentiel d un couple redox ne peut pas tre mesur directement : seule une diff rence de potentiel lectrique peut- tre mesur e. On l obtient alors en mesurant la diff rence de potentiel vide entre une demi-pile constitu e par ce couple et une autre demi-pile de potentiel fix , appel e lectrode de r f rence. Parmi les lectrodes de r f rence, on peut citer l lectrode standard hydrog ne (ESH). L ESH fait intervenir le couple H+(aq) / H2(g). Il s agit d une demi-pile constitu e d un fil de platine, au contact d une solution contenant des ions H+(aq) et dans laquelle barbotte du dihydrog ne H2(g). Par convention, son potentiel est pris gal 0,00 V quelle que soit la temp rature. Remarque : La concentration en ions H+(aq) et la pression en dihydrog ne H2(g) sont ici volontairement non pr cis es. Par convention, le potentiel d un couple redox correspond la force lectromotrice (fem ou tension vide) de la pile constitu e par : - une demi-pile contenant les deux membres de ce couple redox ; - une lectrode standard hydrog ne.