1Oxydant, réducteur, couple
Définition. Une oxydation est une perte d’électrons, une réduction un gain d’électrons. Un oxydant est une espèce capable de capter un ou plusieurs électrons, un réducteur une espèce capable d’en céder. Deux espèces échangeables l’une en l’autre par transfert de électrons forment un couple oxydant-réducteur , de demi-équation électronique
Propriété — tableau périodique. Le caractère du corps simple se lit sur la position de l’élément : un métal (à gauche et au centre, faible électronégativité et faible énergie d’ionisation) cède ses électrons de valence, c’est un réducteur ; un non-métal du bloc p à droite (forte électronégativité) les capte, c’est un oxydant. Le caractère réducteur croît vers le bas et vers la gauche, le caractère oxydant vers le haut et vers la droite.
2Nombre d’oxydation
Définition. Le nombre d’oxydation (n.o.) d’un élément dans une entité est la charge fictive qu’il porterait si toutes les liaisons étaient ioniques, les électrons de chaque liaison étant attribués à l’atome le plus électronégatif. Il s’écrit en chiffres romains signés.
Méthode — règles de calcul. (i) corps simple : n.o. ; (ii) ion monoatomique : n.o. charge ; (iii) dans une entité, la somme des n.o. vaut la charge globale ; (iv) n.o. (sauf peroxydes, ), n.o. (sauf hydrures métalliques, ), n.o.. Dans la notation , l’oxydant s’écrit toujours en premier.
: , n.o.. : , n.o. (valeur moyenne). : peroxyde, n.o.. : , n.o. : une n.o. moyenne peut être fractionnaire.
Propriété — reconnaître une réaction d’oxydo-réduction. Une transformation en est une si et seulement si le n.o. d’au moins un élément varie. L’élément dont le n.o. augmente est oxydé, celui dont le n.o. diminue est réduit, et le nombre d’électrons échangés par atome est la variation de son n.o.
Propriété — nombres d’oxydation extrêmes. Pour un élément d’un bloc principal, en notant son nombre d’électrons de valence :
En effet un élément ne peut pas céder plus que ses électrons de valence, ni en capter plus qu’il n’en manque pour saturer sa couche de valence à huit électrons. Exemples : (colonne 16, ) va de () à () ; (colonne 17) de à () ; (colonne 7) jusqu’à ().
- ion thiosulfate : réducteur ; couple / (ion tétrathionate), .
- ion permanganate : oxydant fort, violet ; couple / en milieu acide, .
- ion hypochlorite : oxydant (principe actif de l’eau de Javel) ; couple /.
- peroxyde d’hydrogène : à la fois oxydant (/, ) et réducteur (/, ) : l’oxygène y est au n.o. intermédiaire .
3Équilibrer
Méthode — une demi-équation en milieu aqueux acide. (1) équilibrer l’élément caractéristique ; (2) équilibrer l’oxygène avec ; (3) équilibrer l’hydrogène avec ; (4) équilibrer les charges avec les électrons, placés du côté de l’oxydant ; (5) contrôler : conservation de chaque élément et de la charge. En milieu basique, on remplace ensuite par et l’on ajoute autant de de l’autre côté.
Méthode — une équation d’oxydo-réduction. Écrire les deux demi-équations dans le sens où elles se produisent, les multiplier de sorte que les nombres d’électrons soient égaux, puis les additionner : les électrons ne figurent jamais dans l’équation bilan. Simplifier ensuite les et présents des deux côtés et contrôler élément par élément et en charge.
et donnent . Contrôle : 1/1, 4/4, 5/5, 8/8 ; charges et .
4Piles et potentiel d’électrode
Définition. Une pile est constituée de deux demi-piles reliées par un pont salin, qui assure le passage du courant sans mélanger les solutions. La tension à vide (ou force électromotrice) est la tension entre les deux bornes lorsqu’aucun courant ne circule.
Définition. Le potentiel d’électrode d’une demi-pile est la tension à vide de la pile qu’elle forme avec l’électrode standard à hydrogène (ESH : , sous , d’activité ), électrode de référence à laquelle on attribue conventionnellement à toute température. Le potentiel standard d’un couple est son potentiel d’électrode lorsque toutes les espèces du couple sont dans leur état standard (activités égales à ).
Propriété — fonctionnement d’une pile. . L’électrode de plus grand potentiel est le pôle , siège de la réduction (cathode) ; celle de plus petit potentiel est le pôle , siège de l’oxydation (anode). Dans le circuit extérieur les électrons vont du pôle vers le pôle , le courant en sens inverse. La pile débite jusqu’à : elle est alors usée et le système chimique est à l’équilibre.
Notation. En pratique on mesure par rapport à une électrode de référence commode plutôt que l’ESH : l’électrode au calomel saturé (ECS), à , d’où .
5La relation de Nernst (admise)
Théorème — relation de Nernst — admise en première année. Pour le couple de demi-équation , le potentiel d’électrode vaut
Les activités sont celles du chapitre 12 ; est le nombre d’électrons de la demi-équation, et toutes les espèces qui y figurent, compris, apparaissent dans le quotient.
L’oxydant est au numérateur. Le nombre est celui de la demi-équation, jamais celui de l’équation bilan. Si figure dans la demi-équation, le potentiel dépend du pH — c’est toute l’origine des diagrammes potentiel-pH.
/ : . / : .
6Aspect thermodynamique
Théorème — constante d’équilibre et potentiels standard. On fait réagir l’oxydant du couple () sur le réducteur du couple (), avec échange de électrons (ppcm des deux demi-équations). À l’équilibre ; en écrivant les deux relations de Nernst et en identifiant,
Propriété — critère pratique. : la réaction est favorisée. Un écart de donne , donc dès que dépasse avec la réaction est quantitative. D’où la règle du : sur un axe de potentiels croissants, l’oxydant du couple le plus haut réagit sur le réducteur du couple le plus bas.
ne renseigne que sur l’état final : une réaction de constante peut rester imperceptible pendant des mois (peroxyde d’hydrogène, eau de Javel). Tout écart entre prévision thermodynamique et observation s’interprète en termes cinétiques (lenteur, passivation, surtension).
Définition. Une dismutation est une réaction où une même espèce joue le rôle d’oxydant et de réducteur : l’élément y figure au n.o. intermédiaire et évolue simultanément vers un n.o. plus grand et un n.o. plus petit. La réaction inverse est une médiamutation (deux espèces d’un même élément, de n.o. différents, donnent une espèce de n.o. intermédiaire).
Méthode — prévoir une dismutation. L’espèce intermédiaire appartient à deux couples, de potentiel standard et de potentiel standard . La dismutation est favorisée si et seulement si (couples « croisés »). Sur un diagramme potentiel-pH, cela se lit immédiatement : l’espèce qui se dismute n’a pas de domaine (ou en a un qui disparaît dans un certain intervalle de pH).
/ : ; / : . Comme , la dismutation est favorisée, avec et , soit . La solution commerciale n’en est pas moins conservable des mois : le blocage est cinétique (et l’ajout d’un catalyseur la fait mousser instantanément).
7Diagrammes de prédominance, d’existence, et diagrammes potentiel-pH
Propriété — à pH fixé. Pour un couple de deux espèces dissoutes, la frontière sépare le domaine de prédominance de l’oxydant () de celui du réducteur () : c’est l’analogue exact du diagramme acido-basique autour de . Si l’une des espèces est un solide, la frontière limite un domaine d’existence, dont la position dépend de la concentration de tracé. Deux espèces dont les domaines sont disjoints sont incompatibles : elles réagissent.
Définition. Un diagramme potentiel-pH (ou de Pourbaix) d’un élément est la carte, dans le plan , des domaines de prédominance ou d’existence de ses espèces. Les conventions de tracé sont toujours précisées : concentration de tracé de l’élément dissous, et règle adoptée sur chaque frontière.
Méthode — lire un diagramme fourni. (1) les n.o. élevés sont en haut (milieu oxydant), les faibles en bas ; (2) à n.o. égal, les espèces les plus protonées sont à gauche (pH faible) ; (3) attribuer alors chaque domaine. Les frontières verticales séparent deux espèces de même n.o. (acido-basique ou précipitation, sans échange d’électrons), les autres séparent deux n.o. différents.
Théorème — pente d’une frontière. Sur la frontière entre deux espèces d’un couple de demi-équation , la relation de Nernst donne, les activités des deux espèces étant fixées par la convention de tracé,
où est le nombre de et le nombre d’électrons de la demi-équation. La frontière est horizontale si (aucun échangé).
Théorème — frontière verticale. Si les deux espèces ont le même n.o., aucun électron n’est échangé : leur frontière ne dépend pas de , c’est une droite verticale. Sa position est fixée par la seule condition acido-basique ou de précipitation, à la concentration de tracé : pour un couple acide-base, et la condition écrite avec pour l’apparition d’un hydroxyde.
Figure 1 — Diagramme potentiel-pH du fer (traits pleins) superposé à celui de l’eau (tirets). Convention : en élément fer dissous sur chaque frontière, pour les gaz.
Les cinq espèces se classent par n.o. décroissant du haut vers le bas : (, ), (, ), () ; à n.o. égal, l’espèce acide est à gauche.
- frontière verticale : /, même n.o. , fixée par ;
- frontière / : , , pente par unité de pH ;
- frontière / : , elle est horizontale.
Méthode — superposer deux diagrammes. Tracer les deux diagrammes sur les mêmes axes, puis regarder, au pH considéré, si les domaines des deux espèces mises en présence sont disjoints. S’ils le sont, les espèces sont incompatibles : la réaction est favorisée, et l’on lit les produits dans les domaines atteints. S’ils se recouvrent, les espèces coexistent.
8Le diagramme potentiel-pH de l’eau
Propriété — deux frontières de même pente. L’eau appartient à deux couples. Avec la convention :
Les deux frontières ont pour pente et délimitent une bande de hauteur : le domaine de stabilité thermodynamique de l’eau.
Théorème — stabilité d’une espèce dans l’eau. Une espèce dont le domaine est entièrement au-dessus de la droite / oxyde l’eau en ; entièrement au-dessous de la droite /, elle réduit l’eau en . Elle est stable dans l’eau si son domaine recoupe la bande de stabilité. Prévisions purement thermodynamiques : beaucoup d’espèces « instables » se conservent faute de cinétique.
(a) Le domaine de est entièrement sous la droite / : le fer est instable dans l’eau, qu’il réduit en . (b) Les domaines de et de sont disjoints : dissous oxyde en dès que . (c) et ont des domaines disjoints : ils médiamutent selon .
9Savoir-faire, formulaire et pièges
- Identifier l’oxydant et le réducteur d’un couple ; relier la position d’un élément dans le tableau périodique au caractère du corps simple et à ses nombres d’oxydation extrêmes ; calculer un n.o. et reconnaître une réaction d’oxydo-réduction.
- Équilibrer une demi-équation puis une équation bilan, et contrôler élément par élément et en charge.
- Décrire le fonctionnement d’une pile (polarité, siège de l’oxydation, sens du courant, équation) à partir d’une tension à vide ou des potentiels d’électrode ; appliquer la relation de Nernst (donnée).
- Prévoir qualitativement (règle du ) ou quantitativement (, ) le caractère favorisé d’une réaction ; prévoir une dismutation ou une médiamutation.
- Identifier les domaines d’un diagramme potentiel-pH fourni, déterminer la pente d’une frontière, justifier une frontière verticale, superposer deux diagrammes, lire la stabilité d’une espèce dans l’eau et interpréter un écart en termes cinétiques.
- Nernst : ( = électrons de la demi-équation).
- Pile : ; oxydation au pôle ; pile usée équilibre.
- Équilibre : ; .
- Pente d’une frontière : par unité de pH ; frontière verticale si les n.o. sont égaux.
- Eau : / ; / ; bande de .
- Constantes : ; à ; .
- Chercher à établir la relation de Nernst : elle est admise en première année.
- Oublier , ou la charge en équilibrant ; additionner deux demi-équations sans égaliser les électrons ; en laisser dans l’équation bilan.
- Écrire Nernst avec le réducteur au numérateur, oublier le , ou prendre celui de l’équation bilan au lieu de la demi-équation ; oublier le terme en , dont dépend le pH.
- Confondre pôle et siège de l’oxydation : l’oxydation a lieu au pôle (anode).
- Conclure qu’une réaction favorisée est rapide : un écart à la prévision s’explique cinétiquement.
- Lire un diagramme sans ses conventions de tracé ; croire qu’une espèce sans domaine est « impossible » : elle se dismute.