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1 2S Cours Chimie Notion de COUPLE OXYDANT / REDUCTEUR En classe de 3ème / 9 , vous avez vu la notion d’élément chimique (la Classification Périodique des Eléments…) et celle d’ions (qui composent les cristaux ioniques ou sels par exemple). Nous allons réutiliser ces notions pour définir un concept très important celui de couple oxydant / réducteur. Nous entrons alors dans le domaine de l’électrochimie. I. 1. Les METAUX et leurs IONS Présentation des métaux Les 3 / 4 des corps simples dont des métaux qui se situent ………………………………… dans la CPE. Les métaux sont de bons conducteurs de la chaleur et de l’électricité. Ceci est du à leurs equi sont libres de se déplacer à l’intérieur du cristal métallique pour « créer » le courant électrique. 2. Les cations métalliques La place des métaux dans la CPE permet à leurs atomes de ……………………… facilement des e- pour former des …………………………… Ex : Ag…… , Ca……. , Al…… , Fe…….. , Pb....... 3. Tests de reconnaissance des cations métalliques : TP a) Objectif : Réaliser les tests de reconnaissances des cations métalliques en solutions: Ag +, Cu2+, Fe2+, Zn2+, Pb2+. b) Mode opératoire : (pour chacun des tests) * Remplir un tube à essais de la solution contenant le cation à identifier (appelée « solution ») sur une hauteur d’environ 3 cm. * Ajouter quelques gouttes seulement de solution contenant le réactif caractéristique (appelée « réactif »). * Conserver tous les tubes en sachant les reconnaître. réactif c) Observations et interprétations Rem. les parenthèses vides sont réservées aux formules chimiques (à compléter) c.1 Cation argent : Ag+ * Solution: nitrate d’argent (……………………..) * Réactif: chlorure de sodium (……………………..) * Nous observons l’apparition d’un précipité ………………………………………………….…. (couleur). * Quelle est l’espèce chimique présente dans le réactif qui a réagi avec le cation argent ? Pourquoi ? * Ecrire l’équation bilan de la réaction : Solution 2 c.2 Cation cuivre (II): Cu2+ * Solution: sulfate de cuivre (………………..) * Réactif: soude concentrée ou hydroxyde de sodium (…………………..) * Nous observons l’apparition d’un précipité ………………………………………………….…. (couleur). * Ecrire l’équation bilan de la réaction : c.3 Cation fer (II): Fe2+ * Solution: sulfate de fer (II) (……………………..) * Réactif: soude concentrée (……………………..) * Nous observons l’apparition d’un précipité ………………………………………………….…. (couleur). * Ecrire l’équation bilan de la réaction : c.4 Cation Zinc (II): Zn2+ * Solution: sulfate de zinc (II) (……………………..) * Réactif: soude concentrée (……………………..) : ajouter goutte à goutte jusqu’à l’observation d’un second phénomène. * Nous observons l’apparition d’un précipité ………………………………………………….…. (couleur). * Ecrire l’équation bilan correspondant à la première observation : * Sachant que les ions zincates Zn(OH)42- sont incolores, proposer une ’équation bilan correspondant à la deuxième observation : c.5 Cation plomb (II): Pb2+ * Solution: nitrate de plomb (II) (……………………..) * Réactif: iodure de potassium (……………………..) * Nous observons l’apparition d’un précipité ………………………………………………….…. (couleur). * Ecrire l’équation bilan de la réaction : d) Récapitulatif Regroupez les résultats de vos tests dans le tableau suivant: Nom ions Argent Fer (II) Zinc (II) Cu2+ Formule Pb2+ Couleur en solution réactif (nom) tests Observations Chlorure de sodium soude concentrée iodure de potassium Précipité Précipité Précipité Précipité Précipité ……………….. ……………….. ……………….. ……………….. ……………….. ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… e) Application : identification des ions dans une solution inconnue * Venir chercher dans un bécher un peu de la solution inconnue (table du prof). * Identifier les ions qu’elle contient. Réponse : La solution inconnue contient les ions ………………………………………………………………………………… 3 II. REACTION entre un METAL et un CATION METALLIQUE 1. Réaction entre Fe et Cu2+ (TP) Clou en fer a) Réaction entre un clou en Fer et Cu2+ * Plonger un clou en fer dans une solution de sulfate de cuivre (II) (Cu2+ , SO42-) * Qu’observez-vous ? ……………………………………………………………… (Cu2+, SO42-) ………………………………………………………………………………………. * Représentez votre observation sur le schéma de droite. b) Réaction entre de la limaille de Fer et Cu2+ Pour affiner notre enquête, nous remplaçons le clou en fer par de la poudre de fer appelée limaille qui réagit mieux car elle est plus divisée. * Dans un tube à essais, verser de la solution de sulfate de cuivre (II) sur une hauteur d’environ 3 cm. Introduire ensuite une spatule de limaille de fer (poudre). Boucher le tube pour l’agiter. Limaille de fer … … (Cu2+, SO42-) agitation Qu’observez-vous? (2 observations minimum) ………………………………… …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. Test à la soude D’une de vos observations, on peut déduire qu’une espèce chimique a disparu, laquelle et pourquoi ? ……………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. * Pour caractériser d’éventuels ions apparus, réaliser un test à la soude concentrée. Qu’observez-vous ? …………………………………………………………………………………………………………………. Quels ions sont donc apparus ? ……………………………………………………………………………………………………… Ecrire l’équation bilan de la réaction supposée entre le métal fer Fe et les ions cuivre (II) Cu2+ : ……………………………….. 2. Réaction entre Ag+ et Cu * Dans un tube à essais, le prof verse de la solution de nitrate d’argent sur une hauteur d’environ 3 cm. Il introduit ensuite de la tournure (copeaux) de cuivre. On attend quelques minutes. Qu’observe-t-on ? ………………………………………………………………….. Tournure de Cu ………………………………………………………………………………………. * Pour caractériser d’éventuels ions apparus, on réalise un test à la soude concentrée. (Ag+, NO3-) Qu’observe-t-on ? ………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………. Quels ions sont donc apparus ? ………………………………………………………. Ecrire l’équation bilan de la réaction supposée entre le métal cuivre Cu et les ions argent Ag+ : ……………………………….. Test à la soude 4 III. 1. Notion de COUPLE OXYDANT / REDUCTEUR L’oxydoréduction a) Approche expérimentale * On peut interpréter les faits expérimentaux de la 1ère réaction par 2 demi-équations électroniques : Cu2+ + …. e- …… et Fe Fe2+ + …. eL’équation bilan correspond à la somme des 2 demi-équations électroniques de façon à éliminer les e- : * Ecrire les 2 demi-équations électroniques puis l’équation bilan correspondant à la 2ème réaction : b) Définitions : Une oxydation est une perte d’électrons. Une réduction est un gain d’électrons Rem : Une entité chimique (atome, ion ou molécule) qui peut perdre des e - est un réducteur. Une entité chimique (atome, ion ou molécule) qui peut gagner des e - est un oxydant. Ex : Dans la réaction suivante 2 Ag+ + Cu → 2 Ag + Cu2+ : l’oxydant est ………….. qui …………….. 1 e-, le réducteur est ……… qui …………… 2 e-. Quelle entité subit une oxydation ? ....................... Conclusion : Quelle entité subit une réduction ? ………………. Une réaction d’oxydoréduction correspond à un transfert (échange) d’électrons Rem : Les e- n’existent pas à l’état libre en solution aqueuse car les phénomènes d’oxydation et de réduction sont simultanés. Les demi-équations électroniques ne correspondent donc pas à des réactions chimiques ! 2. Couples oxydant / réducteur (rédox) a) Approche expérimentale Les 2 expériences précédentes montrent que l’élément cuivre peut intervenir de 2 façons différentes suivant les conditions expérimentales : * 1ère expérience : Cu2+ + 2e- → Cu : le cation Cu2+ subit une ………………………. * 2ème expérience : Cu → Cu2+ + 2e- : l’atome Cu subit une ………………………. Cu2+ et Cu forment un couple rédox noté Cu2+ / Cu. b) Généralisation : Un couple oxydant / réducteur est caractérisé par la demi-équation électronique : Ox + n*e- red Rem : Par convention, l’oxydant figure toujours en premier dans l’écriture d’un couple. Ex : Compléter le tableau : Couples rédox demi-équations électroniques 3. Couples rédox demi-équations électroniques Cu2+ / Cu Cu2+ + 2e- Cu ………………………… Pb2+ + …… e- Pb Al3+ / Al …………………………….. Ag+ / ………….. Ag+ + 1e- ………. Réaction d’oxydoréduction (entre 2 couples rédox) Une réaction d’oxydoréduction peut être considérée comme la superposition de 2 demi-équations électroniques écrites de manière qu’aucun électron n’apparaisse dans le bilan global Ex : trouver l’équation bilan de la réaction rédox entre Al3+ et Pb après avoir écrit dans le bon sens les demi-équations électroniques de chaque couple. Rem : l’écriture précédente ne dit pas dans quel sens s’effectue naturellement la réaction. Cela dépend de la force respective des oxydants et réducteurs mis en jeu. 5 IV. 1. CLASSIFICATION ELECTROCHIMIQUE QUALITATIVE des couples M n+ / M Classement relatif des couples Cu2+ / Cu et Fe2+ / Fe On peut retrouver le résultat par la « règle du gamma Lame de Cu a) Observation : ...………….. Pouvoir oxydant du cation b) Interprétation : Cu + Fe2+ → ………… mais Cu2+ + Fe → …………………. (Fe2+, SO42-) Cu2+ est un oxydant plus fort que Fe2+ et Fe est un réducteur plus fort que Cu. Cu2+ Cu Fe2+ Fe c) Généralisation : La réaction naturelle entre ces 2 couples (Cu2+ + Fe → Cu + Fe2+) se Pouvoir réducteur du métal produit entre l’oxydant le plus …………. (Cu2+) et le réducteur le plus ………… (Fe). 2. Classement qualitative de proche en proche a) Etablissement expérimental de la classification a.1 Classement relatif des couples Cu2+ / Cu et Ag+ / Ag Fil d’Ag Observation : ………………… Interprétation : Ag + Cu2+ → ………… mais 2 Ag+ + Cu → ……………………….. Ag+ est un …………………………….. plus ……………. que Cu2+ (Cu2+, SO42-) ou Cu est un …………………………… plus ………….… que Ag. a.2 Classement relatif des couples Fe2+ / Fe et Zn2+ / Zn Lame de Zn Test à la soude Poudre de Zn 2+ 2- (Fe , SO4 ) Observation : ……………………… … … (Fe2+, SO42-) agitation ………………………………………. Observation : ……………………………………………………………. Conclusion du test : ……………………………………………………….. Lame de Fe Interprétation : Fe + Zn2+ → ………… mais Fe2+ + Zn → ……………………….. Fe2+ est un …………………………….. plus ……………. que Zn2+ ou Fe est un …………………………… plus ………….… que Zn. (Zn2+, SO42-) ». 6 D’après nos expériences, placer les couples Ag+ / Ag et Zn2+ / Zn dans la classification à droite. Pouvoir oxydant Prévision et vérification expérimentale Cu2+ Cu * Notre classification prévoit que (règle du gamma) : Fe2+ Fe b) Cu2+ + Zn → …………………. et Zn2+ + Cu → ………………… Pouvoir réducteur * Vérifications : Lame de Zn Test à la soude 2+ 2- (Cu , SO4 ) Observation : ………………….. …………………………………… Lame de Cu Poudre de Zn … … (Cu2+, SO42-) agitation Observation : ……………………………………………………………. Conclusion du test : ……………………………………………………….. (Zn2+, SO42-) Observation : ………………… c. Utilisation de la classification La classification des couples oxydant / réducteur permet de prévoir la seule réaction qui se produit naturellement entre deux couples donnés. Rem : Plus …………. est un oxydant, plus ……………. est son réducteur conjugué. Au cours d’une réaction naturelle, l’oxydant le plus ………………. Ox1 réagit sur le rédacteur le plus ……………… Red2 pour donner le réducteur le plus ……………….. Red1 et l’oxydant le plus ……………… Ox2. Rem : Un cation métallique oxyde les métaux conjugués des cations métalliques situés ……………….. de lui. Ex : Les ions Cu2+ oxydent …………………………….. etc. Un métal réduit les cations des métaux placés …………………….. de lui. Ex : Al réduit ………………………………………. etc.
