Physique-Chimie (Spé) — Constitution et transformations de la matière
Réactions d'oxydoréduction
Oxydant, réducteur, couples redox, piles
Résumé synthétiqueFiche en 3 sectionsQuiz de 15 questionsGratuit, sans pub
Résumé
Une réaction d'oxydoréduction, c'est avant tout un transfert d'électrons entre deux espèces. Le réducteur cède des électrons (il est oxydé), l'oxydant les capte (il est réduit) — d'où le moyen mnémotechnique : l'oxydant est réduit. Chaque espèce appartient à un couple $\mathrm{Ox}/\mathrm{Red}$ (comme $\mathrm{Cu^{2+}}/\mathrm{Cu}$ ou $\mathrm{Zn^{2+}}/\mathrm{Zn}$) relié par la demi-équation $\mathrm{Ox} + n\,\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Red}$. Lorsqu'on sépare les deux demi-réactions dans deux compartiments reliés par un fil et un pont salin, le transfert d'électrons devient un courant électrique : c'est une pile. L'anode (pôle $-$) est le siège de l'oxydation, la cathode (pôle $+$) celui de la réduction. Maîtriser ce chapitre, c'est savoir identifier oxydant et réducteur, équilibrer une demi-équation et décrire le fonctionnement d'une pile.
Tout repose sur l'électron. Une espèce qui perd des électrons subit une oxydation ; une espèce qui en gagne subit une réduction. Les deux phénomènes sont indissociables : les électrons cédés par l'un sont captés par l'autre, il n'y a jamais d'électron libre dans le bilan.
- Oxydation : perte d'électrons par une espèce. Réduction : gain d'électrons.
- Oxydant : espèce qui capte des électrons — elle est donc réduite au cours de la réaction.
- Réducteur : espèce qui cède des électrons — elle est donc oxydée.
- Les deux demi-réactions sont simultanées : ce que le réducteur cède, l'oxydant le reçoit.
- Moyen mnémotechnique : « l'OXydant est RÉDuit, le RÉDucteur est OXydé ».
Exemple
Dans la réaction $\mathrm{Cu^{2+} + Zn \rightarrow Cu + Zn^{2+}}$, le zinc $\mathrm{Zn}$ cède $2$ électrons (il est oxydé, c'est le réducteur) et l'ion $\mathrm{Cu^{2+}}$ les capte (il est réduit, c'est l'oxydant).
Piège à éviter
Ne confonds pas oxydation et « combinaison avec l'oxygène » : la définition moderne est un transfert d'électrons, qui peut se produire sans aucun atome d'oxygène (ex. $\mathrm{Zn + Cu^{2+}}$).
À chaque espèce correspond un couple oxydant/réducteur, noté $\mathrm{Ox}/\mathrm{Red}$, dans lequel l'oxydant et le réducteur se transforment l'un en l'autre par échange d'électrons. La demi-équation électronique décrit ce passage et doit respecter la conservation des atomes et des charges.
- Couple $\mathrm{Ox}/\mathrm{Red}$ : l'oxydant est noté à gauche. Exemples : $\mathrm{Cu^{2+}}/\mathrm{Cu}$, $\mathrm{Zn^{2+}}/\mathrm{Zn}$, $\mathrm{Fe^{3+}}/\mathrm{Fe^{2+}}$.
- Demi-équation : $\mathrm{Ox} + n\,\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Red}$, par exemple $\mathrm{Cu^{2+} + 2\,e^- \rightarrow Cu}$ ou $\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2\,e^-}$.
- Équilibrer en milieu acide : d'abord l'élément, puis les O avec $\mathrm{H_2O}$, les H avec $\mathrm{H^+}$, et enfin les charges avec des $\mathrm{e^-}$.
- Équation globale : on combine les deux demi-équations en multipliant pour que les $\mathrm{e^-}$ s'éliminent (autant cédés que captés).
Exemple
Couple $\mathrm{MnO_4^-}/\mathrm{Mn^{2+}}$ en milieu acide : $\mathrm{MnO_4^- + 8\,H^+ + 5\,e^- \rightarrow Mn^{2+} + 4\,H_2O}$. On vérifie : $4$ O à gauche $\rightarrow 4\,\mathrm{H_2O}$ ; $8$ H des $\mathrm{H^+}$ $\rightarrow 8$ H dans $4\,\mathrm{H_2O}$ ; charges : $-1 + 8 - 5 = +2$, comme $\mathrm{Mn^{2+}}$.
Piège à éviter
Dans un couple, l'oxydant est toujours à gauche du slash. Inverser $\mathrm{Ox}/\mathrm{Red}$ fait désigner le mauvais réactif. Et n'oublie jamais d'équilibrer les charges : une demi-équation juste en atomes mais fausse en charges reste fausse.
Une pile exploite une réaction d'oxydoréduction spontanée en séparant physiquement l'oxydation et la réduction dans deux demi-piles. Les électrons sont alors forcés de passer par un fil extérieur : ce déplacement de charges constitue le courant électrique. La pile convertit ainsi de l'énergie chimique en énergie électrique.
Pile Daniell : à l'anode ($-$) le zinc s'oxyde, à la cathode ($+$) le cuivre se dépose ; les électrons vont de l'anode vers la cathode dans le fil.
- Une pile convertit l'énergie chimique en énergie électrique à partir d'une réaction redox spontanée.
- Anode (pôle $-$) : siège de l'oxydation du réducteur ($\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2\,e^-}$).
- Cathode (pôle $+$) : siège de la réduction de l'oxydant ($\mathrm{Cu^{2+} + 2\,e^- \rightarrow Cu}$).
- Sens des électrons : de l'anode vers la cathode dans le circuit extérieur ; le courant conventionnel circule en sens inverse.
- Le pont salin ferme le circuit et assure la neutralité électrique des solutions par déplacement d'ions.
- Pile Daniell : couples $\mathrm{Zn^{2+}}/\mathrm{Zn}$ (anode) et $\mathrm{Cu^{2+}}/\mathrm{Cu}$ (cathode), bilan $\mathrm{Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu}$.
Exemple
Dans une pile Daniell, l'électrode de zinc s'oxyde : sa masse diminue ($\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2\,e^-}$). Au même moment, du cuivre se dépose sur l'autre électrode ($\mathrm{Cu^{2+} + 2\,e^- \rightarrow Cu}$) : sa masse augmente.
Piège à éviter
Piège classique sur le sens : les électrons circulent de l'anode ($-$) vers la cathode ($+$), mais le courant conventionnel va de la cathode vers l'anode. Sans pont salin, les charges s'accumulent et la pile s'arrête presque aussitôt.
Quiz - Oxydoréduction
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Réactions d'oxydoréduction, extraits du quiz de révision.
L'oxydation est :
Réponse :
Une perte d'électrons
Par définition, l'oxydation est une perte d'électrons : $\mathrm{Red \rightarrow Ox} + n\,\mathrm{e^-}$.
Un réducteur est une espèce qui :
Réponse :
Cède des électrons
Le réducteur cède (perd) des électrons : il est donc oxydé au cours de la réaction.
À l'anode d'une pile, il se produit :
Réponse :
Une oxydation
L'anode est le siège de l'oxydation (pôle $-$) ; la cathode est le siège de la réduction (pôle $+$).
Le pont salin sert à :
Réponse :
Assurer la neutralité électrique des solutions
Le pont salin ferme le circuit et permet la circulation des ions pour maintenir la neutralité électrique de chaque demi-pile.