Les réactions d'oxydoréduction
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Constitution et transformations de la matière
Oxydant, réducteur et couples ox/red
Une réaction d'oxydoréduction, c'est une transformation dans laquelle des électrons passent d'une espèce chimique à une autre. Rien de plus. Une lame de zinc qui se couvre de cuivre, un clou qui rouille, une pile qui débite, une bougie qui brûle : ce sont tous des transferts d'électrons. Tout le chapitre consiste à identifier qui donne et qui reçoit, puis à écrire proprement l'équation.
Le couple oxydant/réducteur
Un oxydant qui capte des électrons se transforme en un réducteur, et réciproquement. Ces deux espèces, qui se convertissent l'une en l'autre par échange d'électrons, forment un couple oxydant/réducteur, noté Ox/Red — l'oxydant toujours en premier, avant la barre.
| Couple Ox/Red | Demi-équation électronique | Électrons échangés |
|---|---|---|
| Cu2+ / Cu | Cu2+ + 2 e- = Cu | 2 |
| Zn2+ / Zn | Zn2+ + 2 e- = Zn | 2 |
| Ag+ / Ag | Ag+ + e- = Ag | 1 |
| Fe3+ / Fe2+ | Fe3+ + e- = Fe2+ | 1 |
| H+ / H2 | 2 H+ + 2 e- = H2 | 2 |
| I2 / I- | I2 + 2 e- = 2 I- | 2 |
| MnO4- / Mn2+ | MnO4- + 8 H+ + 5 e- = Mn2+ + 4 H2O | 5 |
| Cr2O7 2- / Cr3+ | Cr2O7 2- + 14 H+ + 6 e- = 2 Cr3+ + 7 H2O | 6 |
Une même espèce peut appartenir à plusieurs couples. L'ion fer II, par exemple, appartient à Fe2+/Fe (où il est l'oxydant) et à Fe3+/Fe2+ (où il est le réducteur). Le rôle d'une espèce n'est donc jamais absolu : il dépend de l'espèce en face.
Constitution et transformations de la matière
Écrire et exploiter une équation d'oxydoréduction
Écrire l'équation d'une réaction d'oxydoréduction est une compétence de base, très souvent demandée au bac. La bonne nouvelle : c'est une méthode entièrement mécanique. Si tu appliques les étapes dans l'ordre, tu ne peux pas te tromper.
Combiner deux demi-équations
| Ce que je vérifie | Demi-équation | Équation bilan |
|---|---|---|
| Conservation des atomes | Oui (y compris O et H) | Oui |
| Conservation de la charge | Oui, les e- servent à cela | Oui, sans aucun e- |
| Présence d'électrons | Obligatoire | Interdite |
| Présence de H+ et H2O | Possible (milieu acide) | Possible, après simplification |
| Sens de l'écriture | Réversible, signe = | Sens de la réaction, flèche → |
Exercices corrigés
Par définition, un oxydant est une espèce chimique capable de :
- A.céder un ou plusieurs électrons
- B.capter un ou plusieurs électronsBonne réponse
- C.céder un ou plusieurs protons H+
- D.capter un ou plusieurs protons H+
Réponse : B — capter un ou plusieurs électrons
Un oxydant CAPTE des électrons : c'est lui qui subit la réduction. Céder des électrons, c'est la définition du réducteur (option 1). Les options 3 et 4 décrivent des acides et des bases : elles concernent les protons H+, pas les électrons, et relèvent d'un autre type de réaction. Le réflexe : oxydoréduction = transfert d'ÉLECTRONS.
Une oxydation correspond à :
- A.une perte d'électronsBonne réponse
- B.un gain d'électrons
- C.un gain de protons
- D.une perte de neutrons
Réponse : A — une perte d'électrons
Une oxydation est une PERTE d'électrons ; l'espèce qui la subit est le réducteur. Le gain d'électrons (option 2) s'appelle une réduction. Le gain de protons concerne les réactions acide-base. Quant aux neutrons, ils sont dans le noyau : ils ne sont jamais échangés lors d'une réaction chimique. Astuce de mémorisation : « OxydatiOn, On perd ».
Quelle est la demi-équation électronique du couple Zn2+ / Zn, écrite dans le sens de la réduction ?
- A.Zn2+ = Zn + 2 e-
- B.Zn + 2 e- = Zn2+
- C.Zn2+ + 2 e- = ZnBonne réponse
- D.Zn2+ + e- = Zn
Réponse : C — Zn2+ + 2 e- = Zn
L'écriture générale d'une demi-équation est Ox + n e- = Red, donc ici Zn2+ + 2 e- = Zn. Le nombre d'électrons se trouve par la conservation de la charge : +2 à gauche pour Zn2+, il faut 2 électrons pour arriver à 0, la charge de Zn. L'option 1 met les électrons du mauvais côté, l'option 2 inverse oxydant et réducteur, et l'option 4 ne conserve pas la charge (+2 - 1 = +1 à gauche contre 0 à droite).
Combien d'électrons sont échangés dans le couple Fe3+ / Fe2+ ?
- A.1Bonne réponse
- B.2
- C.3
- D.5
Réponse : A — 1
On équilibre les charges : Fe3+ + n e- = Fe2+. À gauche la charge vaut (+3 - n), à droite elle vaut +2, donc n = 1. La demi-équation est Fe3+ + e- = Fe2+. Répondre 3 ou 2 revient à confondre le nombre d'électrons avec la charge de l'un des ions ; répondre 5 confond avec le couple MnO4-/Mn2+.
Dans la demi-équation MnO4- + 8 H+ + 5 e- = Mn2+ + 4 H2O, quel rôle joue l'ion permanganate MnO4- ?
- A.réducteur, car il capte des électrons
- B.réducteur, car il cède des électrons
- C.oxydant, car il capte des électronsBonne réponse
- D.oxydant, car il cède des électrons
Réponse : C — oxydant, car il capte des électrons
Les électrons sont écrits À GAUCHE, du même côté que MnO4- : cela signifie que l'ion permanganate les capte. Capter des électrons, c'est la définition de l'oxydant. MnO4- est donc l'oxydant du couple MnO4-/Mn2+, et il est réduit en Mn2+. Les options 1 et 4 associent le bon comportement au mauvais nom : c'est l'erreur de vocabulaire la plus fréquente du chapitre.
En milieu acide, quelle est la demi-équation correctement équilibrée du couple NO3- / NO ?
- A.NO3- + 2 H+ + 2 e- = NO + H2O
- B.NO3- + 4 H+ + 4 e- = NO + 2 H2O
- C.NO3- + 4 H2O + 3 e- = NO + 8 H+
- D.NO3- + 4 H+ + 3 e- = NO + 2 H2OBonne réponse
Réponse : D — NO3- + 4 H+ + 3 e- = NO + 2 H2O
On suit les 4 étapes. Azote : 1 de chaque côté, c'est bon. Oxygène : 3 à gauche, 1 à droite, on ajoute 2 H2O à droite. Hydrogène : 4 à droite, on ajoute 4 H+ à gauche. Charges : à gauche -1 + 4 - n = +3 - n, à droite 0, donc n = 3. On obtient NO3- + 4 H+ + 3 e- = NO + 2 H2O. L'option 1 ne conserve pas l'oxygène (3 à gauche, 2 à droite). L'option 2 ne conserve pas la charge (-1 au lieu de 0). L'option 3 met l'eau et les H+ du mauvais côté.
On plonge une lame d'aluminium dans une solution contenant des ions cuivre II. Couples : Al3+/Al et Cu2+/Cu. Quelle est l'équation de la réaction ?
- A.Al + Cu2+ → Al3+ + Cu
- B.2 Al + 3 Cu2+ → 2 Al3+ + 3 CuBonne réponse
- C.3 Al + 2 Cu2+ → 3 Al3+ + 2 Cu
- D.2 Al + 3 Cu → 2 Al3+ + 3 Cu2+
Réponse : B — 2 Al + 3 Cu2+ → 2 Al3+ + 3 Cu
Al cède 3 électrons (Al → Al3+ + 3 e-) et Cu2+ en capte 2 (Cu2+ + 2 e- → Cu). Pour égaliser, on cherche le plus petit multiple commun de 3 et 2, soit 6 : on multiplie la demi-équation de l'aluminium par 2 et celle du cuivre par 3. On obtient 2 Al + 3 Cu2+ → 2 Al3+ + 3 Cu, avec 6 électrons échangés qui se simplifient. L'option 1 laisse des électrons non compensés, l'option 3 intervertit les coefficients, et l'option 4 fait réagir deux réducteurs entre eux, ce qui est impossible.
Une lame de fer plongée dans l'acide chlorhydrique produit un dégagement gazeux. Couples : H+/H2 et Fe2+/Fe. Quelle est l'équation de la réaction ?
- A.Fe + 2 H+ → Fe2+ + H2Bonne réponse
- B.Fe + H+ → Fe2+ + H2
- C.Fe2+ + H2 → Fe + 2 H+
- D.2 Fe + 2 H+ → 2 Fe2+ + H2
Réponse : A — Fe + 2 H+ → Fe2+ + H2
Le fer métallique est le réducteur : Fe → Fe2+ + 2 e-. Les ions H+ sont l'oxydant : 2 H+ + 2 e- → H2. Les deux couples échangent 2 électrons, aucune multiplication n'est nécessaire, d'où Fe + 2 H+ → Fe2+ + H2. L'option 2 ne conserve ni les atomes d'hydrogène ni la charge. L'option 3 écrit la réaction dans le mauvais sens (ce n'est pas ce qu'on observe). L'option 4 ne conserve pas les électrons : 2 Fe céderaient 4 électrons alors que 2 H+ n'en captent que 2.
Pour le couple H2O2 / H2O en milieu acide, quel est l'oxydant et combien d'électrons sont échangés ?
- A.H2O, et 2 électrons
- B.H2O2, et 1 électron
- C.H2O2, et 2 électronsBonne réponse
- D.H2O, et 4 électrons
Réponse : C — H2O2, et 2 électrons
L'oxydant est écrit en premier dans le couple : c'est donc le peroxyde d'hydrogène H2O2. Équilibrons : oxygène, 2 à gauche donc 2 H2O à droite ; hydrogène, 4 à droite et 2 à gauche, on ajoute 2 H+ à gauche ; charges, à gauche 0 + 2 - n et à droite 0, donc n = 2. Bilan : H2O2 + 2 H+ + 2 e- = 2 H2O. Répondre H2O, c'est inverser l'ordre du couple. Répondre 4 électrons, c'est confondre avec le couple O2/H2O.
On mélange des ions permanganate MnO4- et des ions fer II Fe2+ en milieu acide. Couples : MnO4-/Mn2+ et Fe3+/Fe2+. Quelle est l'équation bilan ?
- A.MnO4- + 8 H+ + Fe2+ → Mn2+ + 4 H2O + Fe3+
- B.MnO4- + 8 H+ + 5 Fe2+ → Mn2+ + 4 H2O + 5 Fe3+Bonne réponse
- C.5 MnO4- + 8 H+ + Fe2+ → 5 Mn2+ + 4 H2O + Fe3+
- D.MnO4- + 4 H+ + 5 Fe2+ → Mn2+ + 2 H2O + 5 Fe3+
Réponse : B — MnO4- + 8 H+ + 5 Fe2+ → Mn2+ + 4 H2O + 5 Fe3+
Le permanganate capte 5 électrons (MnO4- + 8 H+ + 5 e- → Mn2+ + 4 H2O) tandis que chaque ion Fe2+ n'en cède qu'un seul (Fe2+ → Fe3+ + e-). Il faut donc 5 ions Fe2+ pour un ion MnO4- : on multiplie la seconde demi-équation par 5. Bilan : MnO4- + 8 H+ + 5 Fe2+ → Mn2+ + 4 H2O + 5 Fe3+. Vérification des charges : à gauche -1 + 8 + 10 = +17, à droite +2 + 15 = +17. L'option 3 multiplie le mauvais couple, et l'option 4 a perdu la moitié des H+ et des H2O.
Lors de la réaction précédente (MnO4- + 8 H+ + 5 Fe2+ → Mn2+ + 4 H2O + 5 Fe3+), on a consommé 2,0 mmol d'ions permanganate. Quelle quantité d'ions Fe2+ a été oxydée ?
- A.0,40 mmol
- B.2,0 mmol
- C.5,0 mmol
- D.10 mmolBonne réponse
Réponse : D — 10 mmol
Les coefficients stœchiométriques donnent la proportion : 1 ion MnO4- réagit avec 5 ions Fe2+. Donc n(Fe2+) = 5 × n(MnO4-) = 5 × 2,0 = 10 mmol. Répondre 0,40 mmol, c'est diviser par 5 au lieu de multiplier : impossible, puisque le fer est le réactif le plus consommé. Répondre 2,0 mmol revient à ignorer les coefficients, et 5,0 mmol confond le coefficient avec la quantité.
Pour équilibrer en milieu acide la demi-équation du couple Cr2O7 2- / Cr3+, combien faut-il d'ions H+ et d'électrons ?
- A.7 H+ et 3 e-
- B.14 H+ et 6 e-Bonne réponse
- C.14 H+ et 3 e-
- D.6 H+ et 6 e-
Réponse : B — 14 H+ et 6 e-
Étape 1, le chrome : Cr2O7 2- donne 2 Cr3+. Étape 2, l'oxygène : 7 à gauche, on ajoute 7 H2O à droite. Étape 3, l'hydrogène : 14 H à droite, on ajoute 14 H+ à gauche. Étape 4, les charges : à gauche -2 + 14 - n = +12 - n, à droite 2 × (+3) = +6, donc n = 6. Bilan : Cr2O7 2- + 14 H+ + 6 e- = 2 Cr3+ + 7 H2O. L'oubli le plus fréquent est le coefficient 2 devant Cr3+, qui fait tomber sur 3 électrons au lieu de 6 (options 1 et 3).
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