Chapitre XIII : oxydoreduction et piles








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titreChapitre XIII : oxydoreduction et piles
date de publication27.01.2017
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Chapitre XIII : OXYDOREDUCTION ET PILES

  1. EXEMPLE DE REACTION D’OXYDOREDUCTION : ACTION DES IONS CUIVRE (II) SUR LE FER METALLIQUE

I-1) Expérience 1 (faite par le professeur)

On plonge une lame de fer métallique (Fe) fraichement décapée dans une solution bleue de sulfate de cuivre (Cu2+(aq) + SO42-(aq))

Schéma de l’expérience

Observation

Interprétation

I-2) Expérience 2

  1. Introduire une spatule de fer métallique dans le fond d’un tube à essai.

  2. Introduire dans le tube à essai environ 3 mL d’une solution de sulfate de cuivre bleue ( 0,01 mol.L-1)

  3. Boucher le tube et agiter. Laisser décanter.

  4. Filtrer sur dispositif de filtration simple le contenu du tube à essai. Récupérer le filtrat dans un nouveau tube à essai.

  5. Observer le filtrat. Introduire dans le filtrat quelques gouttes d’une solution de soude (hydroxyde de sodium Na+(aq) + HO-(aq) ). Observer.

Schéma de l’expérience

Observations

Interprétation

I-3) Equation de la réaction

Ecrire l’équation de la réaction modélisant l’action des ions cuivre (II) sur le fer métallique.

I-4) Mise en évidence d’un transfert d’électrons

Fe …………………………….. életrons : ………………………………………………………………………………………………………………………

Cu2+…………………………….électrons : …………………………………………………………………………………………………………………….

Bilan : …………………………………………………………………………………………………………………….

  1. DEFINITIONS

II-1) Réducteur

Un réducteur est une espèce chimique pouvant ………………….. un ou plusieurs électrons.

Exemples : Cu, H2, les métaux en général,…

II-2) Oxydant

Un oxydant est une espèce chimique pouvant …………………….. un ou plusieurs électrons.

Exemples : Cu2+, H+, I2, O2, composés non métalliques en général,…

  1. COUPLES OXYDANT/REDUCTEUR

A tout oxydant (noté Ox) correspond un réducteur (noté Red) et vice-versa

Ox et Red forment un couple oxydant réducteur noté Ox/Red.

Au couple Ox/Red est associé une demi équation d’oxydoréduction :

…………………………………………………………………………………………………………………………………

N.B. Une demi-équation d’oxydoréduction seule n’a aucune signification chimique : il ne peut pas exister d’’électrons libres en solution.

Exemples :

Couples Ox/Red

Demi-équation d’oxydoréduction

H+/H2




Fe3+/Fe2+




I2/I-




S4O62-/S2O32-




HClO/Cl2






  1. COMMENT ECRIRE UNE DEMI-EQUATION D’OXYDOREDUCTION ?

Il apparait très difficile d’écrire la demi-équation relative au couple HClO/Cl2. Pour cela nous devons suivre scrupuleusement la méthode suivante :

  1. On équilibre les éléments autres que H et O.

  2. On équilibre en élément oxygène en ajoutant de l’eau H2O.

  3. On équilibre en élément hydrogène en ajoutant un/des proton(s) H+.

  4. On équilibre en charge électrique en ajoutant des électrons e-.

Exercices

Ecrire la demi-équation d’oxydoréduction relative au couple HClO/Cl2.


  1. EQUATION D’UNE REACTION D’OXYDOREDUCTION

Une réaction d’oxydoréduction résulte du transfert d’un ou plusieurs électrons (e-) entre l’oxydant Ox1 d’un couple Ox1/Red1 et le réducteur Red2 d’un couple Ox2/Red2.

……………………………………………………………………………………….

Exemple : réaction entre les ions Fe3+ du couple Fe3+/Fe2+ et les ions iodure I- du couple I2/I-

On écrit les deux ½ équations d’oxydoréduction (ou rédox) dans le sens de la transformation

Couple Fe3+/Fe2+  : ………………………………………………………………………………………………………

Couple I2/I- : …………………………………………………………………………………………………………

________________________________________________________________________________________

Equation de la réaction d’oxydoréduction : ……………………………………………………………………………………………………..

N.B. On doit « multiplier » chaque demi-équation d’oxydoréduction par le nombre entier correct (en rouge) de façon à avoir autant d’électrons cédés que d’électrons captés.

Exercice

Etablir l’équation de la réaction qui se produit en milieu acide entre  l’ion permanganate MnO4- et le dioxyde de soufre SO2 (aq) ;

Données : couples oxydant réducteur : MnO4-/Mn2+ ; SO42-/SO2(aq) 


  1. LES PILES

VI-1) Principe de fonctionnement

Dans la réaction d’oxydoréduction entre les ions cuivres Cu2+ du couple Cu2+/Cu et le fer métallique Fe du couple Fe2+/Fe étudiée au § I le transfert d’électrons entre Cu2+ et Fe est un transfert direct car lors de celui-ci le fer métallique et les ions cuivre sont en « contact ».



Une pile en fonctionnement est aussi le siège d’une réaction d’oxydoréduction entre l’oxydant Ox1 d’un couple Ox1/Red1 et le réducteur Red2 d’un couple Ox2/Red2 mais dans ce cas le transfert d’électrons entre Ox1 et Red2 n’est pas un transfert direct, il s’effectue, a l’extérieur de la pile, par l’intermédiaire de fils électriques (transfert indirect).

VI-2) Activité expérimentale : Réalisation et fonctionnement de la pile Daniell

VI-1-2) Réalisation de la pile Daniell

En 1836, le physicien et chimiste anglais Daniell (1790-1845) améliore la pile Volta (voir vidéo « Volta ») en utilisant des plaques de cuivre et de zinc, une solution de sulfate de cuivre (II), une solution de sulfate de zinc.

  1. Dans un bécher A, introduire 75 mL d’une solution de sulfate de cuivre (II), Cu2+(aq) + SO42-(aq), de concentration molaire apportée C = 0.10 mol.L-1 et une plaque de cuivre métallique décapée munie d’une pince crocodile.

  2. Dans un bécher B, introduire 75 mL d’une solution de sulfate de zinc, Zn2+ (aq) + SO42-(aq), de concentration molaire apportée C’ = 0,10 mol.L-1 et une plaque de zinc métallique décapée munie d’une pince crocodile.

  3. Plonger l’extrémité d’une bande de papier filtre imbibée d’une solution de nitrate de potassium (pont salin), K+(aq) + NO3- (aq), dans la solution du bécher A et l’autre extrémité dans la solution du bécher B.

  4. A l’aide d’un voltmètre mesurer la tension E (E>0) aux bornes de la pile ainsi constituée. E est appelée force électromotrice (fém) de la pile Daniell.

E = ……………….

  1. Identifier les bornes positives et négatives de cette pile.



  1. Remplacer le voltmètre par une résistance (10 ) branchée en série avec un ampèremètre comme indiqué sur le schéma ci-dessous.



Quelle est la valeur de l’intensité mesurée ? Quel est son signe ? En déduire le sens du courant électrique dans les fils de connexion ? Ce sens est-il conforme à la polarité de la pile établie au e.

  1. Quels sont les porteurs de charges responsables du passage du courant électrique à l’extérieur de la pile ? Dans quel sens se déplacent-ils ?



  1. Retirer le pont salin. Que se passe-t-il ?



  1. Quels sont les porteurs de charges responsables du passage du courant électrique à l’intérieur de la pile (solutions et pont salin) ?



  1. Décrire ce qui se passe :

  • au niveau de la plaque de cuivre ;

  • au niveau de la plaque de zinc ;

  • au niveau du pont salin (K+(aq) + NO3-(aq)).

Vous pourrez vous aider pour répondre à cette question de l’animation « animation_pile.swf »


  1. Compléter avec l’aide de votre professeur le schéma de la page suivante en indiquant :

  • la polarité de la pile ;

  • le sens du courant et des porteurs de charges à l’extérieur de la pile ;

  • le sens de déplacement des porteurs de charges à l’intérieur de la pile (solutions et pont salin) ;

  • ce qui se passe au niveau des électrodes de cuivre et de zinc.



  1. Quel est le rôle du pont salin ?



  1. Ecrire la demi-équation de la réaction d’oxydation ayant lieu à l’anode* de la pile.



  1. Ecrire la demi-équation de la réaction de réduction ayant lieu à la cathode* la pile.



  1. En déduire l’équation de la réaction d’oxydoréduction modélisant le fonctionnement de la pile Daniell.

*

A l’Anode : Oxydation et Entrée du courant, (A, O et E uniquement des voyelles)

A la Cathode : Réduction et Sortie du courant, (C, R et S uniquement des consonnes)

  1. CARACTERISTIQUES DES PILES ET ACCUMULATEURS

Voir § 1 page 289



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