1Spé – Chap 2 : Oxydoréduction

– Notions de cours

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Prérequis : Il faut savoir équilibrer une équation-bilan classique (voir sur « tube-a-essai.fr > classe de 3ieme > Chap OTM3 : « Les réactions de combustions ».

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I La formation de la rouille est une oxydation du fer

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1° Observons une voiture rouillée

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La couleur orange de la rouille est caractéristique des ion Fe3+.

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On peut donc écrire qu’une oxydation correspond à une transformation chimique (incomplète) du type suivant :

Fe   →  Fe3+ + 3e

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2. Définition

On dit que le fer « s’oxyde » :

Énoncé : « Une oxydation est donc une perte d’électrons. »

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3. Inversement

Lorsqu’on veut fabriquer du fer métallique à partir du minerai de fer qui contient les ions Fe3+ on effectuera la transformation inverse suivante :

Fe3+ + 3e   →  Fe

Ce type de transformation s’appelle une réduction.

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4. Définition

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Énoncé : « Une réduction est donc un gain d’électrons. »

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5. Écriture d’une demi-équation électronique

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Les transformations partielles correspondent à des demi-équations qu’on dit « électroniques » car elles font intervenir des électrons.

On l’observe dans un sens ou dans l’autre. On aura donc coutume de l’écrire avec un signe =

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II Autres exemples de demi-équations électroniques

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1° Entre les ions cuivre (II) et le cuivre métallique

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Cette demi-équation électronique peut aussi se passer dans les 2 sens selon les conditions expérimentales. On écrit donc (avec un signe =) :

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2° Entre les ions zinc (II) et le zinc métallique

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Cette demi-équation électronique peut aussi se passer dans les 2 sens selon les conditions expérimentales. On écrit donc (avec un signe =) :

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III Compétition entre le fer le cuivre

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1° On réalise l’expérience suivante

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On observe que le cuivre métallique se dépose (dépôt rouge) sur le Fer et que la coloration due aux ions Cu2+ disparait progressivement.

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2° Par contre l’expérience inverse ne produit pas de réaction

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3° Le sens des demi-équations électroniques pour cette expérience est donc connu

Ici, on observe donc que les ions cuivre sont donc réduits suivant l’écriture :

Cu2+ + 2 e → Cu :

Convention d’écriture : On remplace le  » =  » par une « → » lorsqu’on écrit une demi-équation observée (dont le sens est donc connu).

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Mais d’où proviennent les 2e ?

Ils peuvent provenir du Fer. Cette hypothèse pourra être vérifié en procédant à un test à la soude : Celui-ci fait apparaitre un précipité vert qui prouve bien la production d’ion Fe2+. (Cliquez sur le lien suivant pour voir le précipité en classe de 3ieme)

On observe donc (utilisation du signe →) simultanément la demi-équation électronique avec le fer :

Fe  → Fe2+ + 2 e

Le fer métallique est donc oxydé.

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4° Bilan de ces 2 demi-réactions électroniques

Pour obtenir l’équation-bilan, on additionne ces 2 demi-équations électroniques observées :

Cu2+ + 2 e → Cu

Fe  → Fe2+ + 2 e

Par addition, on obtient :

Cu2+ + 2 e + Fe Cu + Fe2+ + 2 e

C’est l’équation-bilan complète et équilibrée de la transformation.

Remarque : Le nombre d’électrons dans les produits et dans les réactifs étant le même, on pourra ne pas les faire apparaitre dans le bilan.

Cu2+ + Fe Cu + Fe2+

On obtient alors une équation-bilan simplifiée.

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5. Conclusion

Une réaction chimique d’oxydoréduction est donc un transfert d’électrons. Une demi-équation électronique ne correspond qu’à la moitié d’une équation-bilan.

Dans cette expérience, les ions cuivre sont réduits par le fer tandis que le fer métallique est oxydé par les ions cuivre. Le fer a donc le rôle d’un réducteur (il réduit les ions cuivre) tandis que les ions cuivre ont le rôle d’un oxydant (ils oxydent le fer).

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6. Couple Oxydant / Réducteur

Dans la demi-équation électronique observée Fe → Fe2+ + 2 e , le fer est donc un réducteur.

Lorsque l’équation se passe dans l’autre sens (ce qui est le cas pour la demi-équation du cuivre), les ions Fe2+ sont donc des oxydants.

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6.1° Notation

En adoptant la notation « Oxydant / Réducteur« , on pourra noter ce couple sous la forme :

Fe2+ / Fe

On notera de même, le couple avec le cuivre et l’ion cuivre sous la forme :

Cu2+ / Cu

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6.2° Définition d’un oxydant :

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Énoncé : « Un oxydant est une espèce qui gagne des électrons.

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6.3° Définition d’un réducteur :

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Énoncé : « Un réducteur est une espèce qui perd des électrons. »

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6.4° Généralisation

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On peut donc écrire une demi-réaction électronique sous la forme :

Oxydant + n e = Réducteur

On pourra remarquer que, dans une demi-équations électroniques, les oxydants sont toujours écrits du même côté que les électrons.

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IV Compétition entre les couples Ag+/Ag et Cu2+/Cu.

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1° Les demi-équations électroniques des couples

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Ces demi-réactions peuvent se passer dans un sens ou dans l’autre. On les écrit donc avec un signe « = »

Ag+ + 1 e =  Ag

Cu2+ + 2 e = Cu

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2° Écriture des demi-équations électroniques dans le sens observé expérimentalement (Voir TP)

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On observe un dépôt d’argent métallique noté Ag (Voir TP)

La 1ere demi-équation observée s’écrit donc : Ag+ + 1 e →  Ag

On observe aussi une coloration bleutée de la solution qui témoigne de l’apparition d’ion Cu2+.

La 2eme demi-équation observée s’écrit donc : Cu → Cu2+ + 2 e

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3° L’équation-bilan correspondante s’obtiendra par addition

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{Ag+ + 1 e →  Ag } × 2

Cu → Cu2+ + 2 e  

Par addition on obtient : 2Ag+ + 2 e + Cu  2Ag + Cu2+ + 2 e  

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Le facteur × 2 est nécessaire pour préserver l’équilibre des charges.

Remarque : Sinon il apparait plus d’électrons qu’il n’en est consommé et le bécher devrait finir par s’électriser ce qui se ferait ressentir lorsqu’on le toucherait ce qui n’est pas le cas.

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4° L’équation bilan simplifiée

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Le nombre d’électrons dans les produits et dans les réactifs étant le même, on pourra ne pas les faire apparaitre dans le bilan. On obtient alors une équation-bilan simplifié :

2Ag+ + Cu →  2Ag + Cu2+

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V Autres couples non métalliques

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1° Équilibrer la demi-équation du couple O2/H2O en milieu acide

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Indication : Cette équation ne s’observe que s’il y a présence d’ion H+ (ions acides). Elle s’effectue en milieu aqueux (présence d’eau).

On précédera par les 4 étapes suivantes pour équilibrer :

  • O2    =    H2O (non équilibrée à cause des oxygènes et des hydrogènes)
  • O2    =    2H2O (non équilibrée à cause des hydrogène)
  • O2 + 4 H+   =    2H2O (non équilibrée à cause des charges)
  • O2 +     4H+    + 4e    = 2H2O (On équilibre avec des électrons car il s’agit d’une demi-équation électronique)

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2° Équilibrer la demi-équation du couple NO3 / NO

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Indication : Cette équation ne s’observe qu’en milieu acide et aqueux.

  • NO3 =  NO (non équilibrée à cause des oxygènes)

On équilibre par la même méthode. On obtient :

  • NO3 +  4H+  + 3e =  NO + 2 H2O

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3° Équilibrer la demi-équation du couple C2H4O2/C2H6O

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Indication : Cette équation ne s’observe qu’en milieu acide et aqueux.

  • C2H4O2 = C2H6O   (non équilibrée à cause des oxygènes et des hydrogènes)

On équilibre par la même méthode. On obtient :

  • C2H4O2 + 4 H+ + 4 e = C2H6O + H2O

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4° Équilibrer la demi-équation du couple MnO4/Mn2+ en milieu acide et aqueux.

(Extrait de la vidéo ci-après)

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5° Équilibrer la demi-équation du couple Cr2O72- /Cr3+ en milieu acide et aqueux.

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VI Compétition entre les couples MnO4/Mn2+ et Fe2+/Fe3+

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Visionner la vidéo suivante pour établir l’équation-bilan d’une transformation chimique : L’oxydation des ions Fe2+ par les ions permanganate MnO4

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On devra savoir retrouver l’équation bilan équilibrée en milieu acide aqueux (en 3 étapes) :

a. Pour le couple du fer Fe3+/Fe2+, la demi-équation électronique équilibrée s’écrit :

Fe3+ + 1 e = Fe2+

b. Pour le couple du manganèse MnO4/Mn2+, la demi-équation électronique équilibrée s’écrit :

MnO4 + 8 H+ + 5 e = Mn2+ + 4 H2O

c. On obtient l’équation-bilan par addition des demi-équations dans le sens qui est observé expérimentalement :

Fe2+ → Fe3+ + 1 e

MnO4 + 8 H+ + 5 e → Mn2+ + 4 H2O

MnO4 + 5 Fe2+ + 8 H+5 Fe3+ + Mn2+ + 4 H2O

Remarque : les 5 sont nécessaires pour que rien ne se perde, rien ne se crée … même pas les électrons.

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 à savoir faire

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I Rédaction d’un exercice de synthèse (BAC) :

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1° Énoncé :

On se propose d’étudier la transformation chimique qui est observée entre les couples MnO4/Mn2+ et C2H4O2/C2H6O.

La photo ci-dessous représente le changement de couleur qui s’observe durant la transformation chimique.

En déduire l’équation-bilan de la transformation observée.

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2° ——– Une solution ———-

Pour trouver l’équation-bilan, on rappelle les 2 demi-équations électroniques :

Pour le couple : MnO4/Mn2+ : MnO4 + 8 H+ + 5 e = Mn2+ + 4 H2O (demi-équation électronique n° 1)

Pour le couple : C2H4O2/C2H6O : C2H4O2 + 4 H+ + 4 e = C2H6O + H2O (demi-équation électronique n° 2)

La décoloration observée expérimentalement indique que la demi-équation équation électronique n°1 se passe de gauche à droite. L’autre se passera donc dans l’autre sens.

L’équation-bilan s’obtient par addition (dans le sens observé) :

{ MnO4 + 8 H+ + 5 e → Mn2+ + 4 H2O } × 4

{ C2H6O + H2O → C2H4O2 + 4 H+ + 4 e } × 5

On utilise des coefficients stœchiométriques 4 et 5 qui permettront de conserver le nombre d’électrons dans l’équation-bilan.

4 MnO4 + 4×8 H+ + 4×5 e+ 5 C2H6O + 5 H2O 4 Mn2+ + 4×4 H2O + 5 C2H4O2 + 5×4 H+ + 5×4 e

Après simplification des électrons et des molécules d’eau, on écrit :

4 MnO4 + 32 H+ + 5 C2H6O  → 4 Mn2+ + 11 H2O + 5 C2H4O2 + 20 H+

Après simplification des ions H+, on obtient finalement :

4 MnO4 + 12 H+ + 5 C2H6O  → 4 Mn2+ + 11 H2O + 5 C2H4O2

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II Application à l’aluminothermie

1° L’expérience en vidéo

Visionner la vidéo suivante pour observer la transformation chimique qui est décrite dans l’exercice 22 p 50.

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Cette réaction produit du fer liquide (au-dessus de sa température de fusion). Ce fer liquide coule au fond du creuset en terre cuite où s’effectue la transformation. Il coule alors par un trou dans le récipient de récupération placé en dessous. Ce procédé est utilisé pour réaliser la soudure des rails des trains et tramway sans avoir besoin de chalumeau.

2° Recherche de l’équation-bilan

Cette transformation fait réagir de l’oxyde de fer Fe2O3 avec l’aluminium Al et elle produit du fer Fe et de l’oxyde d’aluminium Al2O3.

En déduire l’équation-bilan correspondante.

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 Exercices possibles

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Indication pour tous les exercices : Les masses molaires sont à chercher dans le tableau périodique (Voir Tube-a-essai > La réserve)

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Un signe (*)  ou (#) indique qu’une indication ou un rectificatif est apportée ci-après.

Exercices d’application directe : n° 20, n° 27 et n° 28 – p 50 et suivantes.

Entrainez-vous, leurs corrigés sont déjà accessibles dans la partie « Corrigés des exercices » au bas de cette page.

Exercices en autonomie : « 5 min Chrono ! » p 49 – « Contrôle Technique ! » p 49 – « QCM « Pour faire le point » » p 51

Exercices d’approfondissement p 50 et suivantes : n° 19 – 22(*voir la vidéo de l’expérience dans la partie « Annexe » ci-dessus) – 30 – 31 – 46(*vidéo)

Exercices de type « problème » identiques à l’ex résolu p 52 et 53 : n°39 et n°41.

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(*)Ex22 : Reportez-vous à la vidéo publiée dans le cours dans ANNEXE II

(*)Ex 46 : Utiliser le lien suivant pour accéder à la « Vidéo d’illustration : La bouteille bleue »

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 Bilan

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Cliquer sur le lien suivant pour accéder à « L’essentiel du chapitre II (à compléter) »

Cliquer sur le lien suivant pour accéder à une Synthèse des activités du chapitre II.

Lien pour accéder au TP version élève

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 Corrigés des exercices

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Utilisez les liens suivants pour accéder aux corrigés.

Corrigés des exercices d’application directes :

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 20« 

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 27« 

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 28« 

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Corrigés des exercices d’approfondissement :

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 19« 

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 22« 

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 30« 

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 31« 

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 46« 

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Corrigés des exercices résolu et identique à l’exercice résolu (avec barème) :

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 39 – id à résolu (avec barème)« 

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 41 – id à résolu (avec barème)« 

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TP

Lien pour accéder au TP – version corrigée

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Évaluation

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Lien pour accéder au Corrigé de l’évaluation

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