Première · Physique-Chimie · Spécialité
Constitution et transformations de la matière

Évolution d'un système chimique

Transfert d'électrons et réactions d'oxydoréduction, puis suivi de l'évolution d'un système chimique : avancement, tableau d'avancement, réactif limitant, transformations totales et non totales.

Oxydant & réducteur Demi-équations Avancement Réactif limitant Mélange stœchiométrique
Capacités exigibles · Programme officiel 2019
  • Identifier l'oxydant et le réducteur d'un couple.
  • Écrire la demi-équation électronique d'un couple oxydant/réducteur.
  • Établir l'équation d'une réaction d'oxydoréduction à partir des demi-équations des deux couples.
  • Établir le tableau d'avancement d'une transformation à partir de l'équation de la réaction et des quantités de matière initiales.
  • Déterminer l'avancement maximal et identifier le réactif limitant.
  • Déterminer la composition du système dans l'état final pour une transformation totale.
  • Déterminer l'avancement final à partir de la description de l'état final et le comparer à l'avancement maximal.
I

Réactions d'oxydoréduction

Plongeons de la poudre de zinc dans une solution bleue de sulfate de cuivre (II) : la solution se décolore, un dépôt rouge-brun se forme et des ions zinc (II) apparaissent. L'élément cuivre passe de $\mathrm{Cu^{2+}}$ à $\mathrm{Cu}$, l'élément zinc de $\mathrm{Zn}$ à $\mathrm{Zn^{2+}}$ : c'est un transfert d'électrons. Les ions sulfate, eux, ne réagissent pas : ce sont des ions spectateurs.

Activité 1 — Découverte de l'oxydoréduction
Zn + Cu2+ · Cu + Ag+ · Observer, interpréter, conclure

Par quelle réaction modéliser l'évolution du système $\mathrm{Cu^{2+} + SO_4^{2-}}$ en présence de $\mathrm{Zn}$, puis d'un fil de cuivre plongé dans une solution de nitrate d'argent ? Le tableau observation / interprétation de l'activité est dans le cours (page 1).

Cours (PDF)

Oxydant, réducteur et couple

Définition · Oxydant et réducteur

Un oxydant est une espèce capable de capter un ou plusieurs électrons. Un réducteur est une espèce capable d'en céder.

Ne pas confondre

Une réduction est un gain d'électrons, une oxydation une perte d'électrons. L'oxydant n'est pas « l'espèce qui apporte de l'oxygène » : la définition est électronique. Une espèce n'est pas oxydante ou réductrice dans l'absolu : tout dépend du couple et du partenaire.

Demi-équation électronique
$$\mathrm{Ox} + n\,\mathrm{e^-} = \mathrm{Red}$$
$n$ : nombre d'électrons échangés · le signe « = » indique que la transformation peut se produire dans les deux sens
Couple Ox/RedDemi-équation électronique
Cu2+/CuCu2+(aq) + 2 e− = Cu(s)
Zn2+/ZnZn2+(aq) + 2 e− = Zn(s)
Ag+/AgAg+(aq) + e− = Ag(s)
H+/H22 H+(aq) + 2 e− = H2(g)
Fe3+/Fe2+Fe3+(aq) + e− = Fe2+(aq)
I2/I−I2(aq) + 2 e− = 2 I−(aq)
MnO4−/Mn2+MnO4−(aq) + 8 H+(aq) + 5 e− = Mn2+(aq) + 4 H2O(l)
Méthode · Établir une demi-équation
  1. Écrire les deux espèces du couple et conserver les éléments autres que O et H.
  2. Conserver l'élément oxygène en ajoutant des molécules d'eau $\mathrm{H_2O}$.
  3. Conserver l'élément hydrogène en ajoutant des ions $\mathrm{H^+}$.
  4. Conserver la charge en ajoutant des électrons du côté où il y a trop de charges positives.
Exemple résolu · $\mathrm{MnO_4^-/Mn^{2+}}$ en milieu acide

Mn déjà conservé ; 4 O à gauche → $+\,4\,\mathrm{H_2O}$ à droite ; 8 H à droite → $+\,8\,\mathrm{H^+}$ à gauche ; charges : $-1+8=+7$ à gauche, $+2$ à droite → $+\,5\,\mathrm{e^-}$ à gauche.
$\mathrm{MnO_4^- + 8\,H^+ + 5\,e^- = Mn^{2+} + 4\,H_2O}$

Équation d'une réaction d'oxydoréduction

Une réaction d'oxydoréduction met en jeu deux couples : le réducteur d'un couple cède ses électrons à l'oxydant de l'autre.

Réaction d'oxydoréduction
$$\mathrm{Ox_1 + Red_2 \longrightarrow Red_1 + Ox_2}$$
Les électrons n'apparaissent jamais dans l'équation de la réaction.
Méthode · Établir l'équation
  1. Identifier les deux couples mis en jeu.
  2. Écrire les deux demi-équations, le réactif de chaque couple étant à gauche.
  3. Multiplier pour faire apparaître le même nombre d'électrons échangés.
  4. Additionner, puis simplifier les espèces présentes des deux côtés ($\mathrm{e^-}$, $\mathrm{H^+}$, $\mathrm{H_2O}$).
Exemple résolu · fil de cuivre dans du nitrate d'argent

Couples $\mathrm{Ag^+/Ag}$ et $\mathrm{Cu^{2+}/Cu}$ : $\;2\,\mathrm{Ag^+ + 2\,e^- = 2\,Ag}$ et $\mathrm{Cu = Cu^{2+} + 2\,e^-}$.
$\mathrm{2\,Ag^+(aq) + Cu(s) \longrightarrow 2\,Ag(s) + Cu^{2+}(aq)}$ · les ions nitrate $\mathrm{NO_3^-}$ sont spectateurs.

✏️ À vous de jouer

Écrire l'équation de la réaction entre les ions permanganate $\mathrm{MnO_4^-}$ et les ions fer (II) $\mathrm{Fe^{2+}}$ en milieu acide (couples $\mathrm{MnO_4^-/Mn^{2+}}$ et $\mathrm{Fe^{3+}/Fe^{2+}}$), puis vérifier la conservation de la charge.

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Les réactions d'oxydoréduction — cours de première
Oxydant, réducteur, couples, demi-équations et équation d'oxydoréduction en première spécialité.

II

Évolution d'un système chimique

Au cours d'une transformation, les quantités de matière des réactifs diminuent et celles des produits augmentent, dans des proportions imposées par les coefficients stœchiométriques. Pour suivre cette évolution avec une seule grandeur, on introduit l'avancement.

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Activité 2 — Albert et la soupe de légumes
Une recette, un stock d'ingrédients, un nombre d'actes de fabrication : une page interactive pour comprendre l'avancement et le réactif limitant avant de passer aux molécules.
Ouvrir l'activité ↗

L'avancement de la réaction

Équation $a\,\mathrm{A} + b\,\mathrm{B} \to c\,\mathrm{C} + d\,\mathrm{D}$ · avancement $x$ (mol)
$$n(\mathrm{A}) = n_0(\mathrm{A}) - a\,x \qquad n(\mathrm{C}) = n_0(\mathrm{C}) + c\,x$$
État initial : $x=0$ · état final : $x=x_f$
Ne pas confondre

$x$ n'est pas la quantité de produit formé : c'est une grandeur de suivi, en mol. La quantité de produit formé vaut le coefficient stœchiométrique multiplié par $x$.

Le tableau d'avancement

Méthode · Construire le tableau
  1. Écrire l'équation équilibrée et, en tête de colonnes, les espèces concernées.
  2. Calculer les quantités de matière initiales ($n=C\cdot V$, $n=m/M$…) : ligne « état initial ».
  3. État intermédiaire : $n_0-\nu\,x$ pour un réactif, $n_0+\nu\,x$ pour un produit.
  4. État final : remplacer $x$ par $x_f$.

Avancement maximal et réactif limitant

Définition · Avancement maximal

L'avancement maximal $x_{max}$ est la plus petite valeur de $x$ pour laquelle la quantité de matière de l'un au moins des réactifs devient nulle. Ce réactif est le réactif limitant, les autres sont en excès.

Calcul de $x_{max}$
$$n_0(i) - \nu_i\,x = 0 \;\Rightarrow\; x = \dfrac{n_0(i)}{\nu_i} \qquad x_{max} = \min_i\!\left(\dfrac{n_0(i)}{\nu_i}\right)$$
$x_{max}$ est une valeur théorique, calculée sans faire l'expérience.
Exemple résolu · $\mathrm{Cu^{2+} + 2\,HO^- \to Cu(OH)_2(s)}$

$V_1=20$ mL à $0{,}10$ mol·L⁻¹ de $\mathrm{Cu^{2+}}$ et $V_2=15$ mL de soude à $0{,}50$ mol·L⁻¹ : $n_1=2{,}0$ mmol et $n_2=7{,}5$ mmol. Pour $\mathrm{Cu^{2+}}$ : $x=2{,}0$ mmol ; pour $\mathrm{HO^-}$ : $x=3{,}75$ mmol. Donc $x_{max}=2{,}0$ mmol et le réactif limitant est $\mathrm{Cu^{2+}}$.

ÉtatAvancement (mmol)n(Cu²⁺)n(HO⁻)n(Cu(OH)₂)
Initial$x=0$2,07,50
Intermédiaire$0\le x\le x_{max}$2,0 − $x$7,5 − 2$x$$x$
Final$x_{max}=2{,}0$03,52,0
Attention

Le réactif limitant n'est pas forcément celui dont la quantité initiale est la plus petite : il faut diviser par le nombre stœchiométrique avant de comparer. Dans la soupe d'Albert, il y a plus de carottes (414) que de poireaux (281), et pourtant ce sont les carottes qui manquent en premier.

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Le tableau d'avancement : comment le construire ? Réactif limitant — cours de 1ère
Construire un tableau d'avancement et trouver le réactif limitant, avec méthode et exemples.

Transformation totale ou non totale

Avancement final
$$x_f = \dfrac{n_0(R)-n_f(R)}{\nu_R} = \dfrac{n_f(P)}{\nu_P}$$
déterminé à partir de l'état final (mesure)
Comparaison
$$x_f = x_{max} \ \text{(totale)} \qquad x_f < x_{max} \ \text{(non totale)}$$
non totale : il reste des réactifs
✏️ À vous de jouer

On mélange 1,0 mol d'acide éthanoïque et 1,0 mol d'éthanol : $\mathrm{CH_3COOH + C_2H_5OH \to CH_3COOC_2H_5 + H_2O}$. À l'état final, on trouve 0,67 mol d'éthanoate d'éthyle. Calculer $x_{max}$ et $x_f$, puis conclure : la transformation est-elle totale ?

Mélange stœchiométrique

Réactifs introduits dans les proportions de l'équation
$$\dfrac{n_0(\mathrm{A})}{a} = \dfrac{n_0(\mathrm{B})}{b} = x_{max}$$
Aucun réactif en excès : dans une transformation totale, tous les réactifs s'épuisent simultanément. Notion qui prépare l'équivalence d'un titrage.
À retenir
  • Une réaction d'oxydoréduction met en jeu deux couples et un transfert d'électrons du réducteur vers l'oxydant.
  • L'avancement $x$ est une grandeur de suivi en mol ; les quantités de matière évoluent linéairement avec $x$.
  • $x_{max}$ est la plus petite des valeurs $n_0(i)/\nu_i$ ; le réactif correspondant est le réactif limitant.
  • La transformation est totale si $x_f=x_{max}$, non totale si $x_f

TP

Réactif limitant et tableau d'avancement

TP — Réactif limitant et tableau d'avancement
Sulfate de cuivre (II) + soude · Tests A et B sur le filtrat

On étudie $\mathrm{Cu^{2+}(aq) + 2\,HO^-(aq) \to Cu(OH)_2(s)}$ avec 20 mL de solution de cuivre (II) à $0{,}10$ mol·L⁻¹ et 15 mL puis 5,0 mL de soude à $0{,}50$ mol·L⁻¹. Après filtration, deux tests désignent l'ion en excès, donc le réactif limitant, et l'observation est confrontée à la prévision du tableau d'avancement.

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Révision

Fiche flash et quiz interactifs

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Oxydoréduction et avancement — révision & quiz
Une page interactive pour réviser rapidement avant un contrôle : oxydoréduction, tableau d'avancement, réactif limitant et état final d'une transformation.
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Ressources vidéo

Oxydoréduction

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Comment équilibrer une équation d'oxydoréduction ?
Reconnaître un oxydant et un réducteur, équilibrer une demi-équation électronique puis l'équation de la réaction.
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Réaction d'oxydoréduction — exercice corrigé
Écrire l'équation d'une réaction d'oxydoréduction pas à pas à partir des couples.

Avancement et réactif limitant

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Tableau d'avancement et réactif limitant — exercice
Déterminer le réactif limitant à l'aide du tableau d'avancement, exercice corrigé pas à pas.
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Oxydoréduction et tableau d'avancement — cours de 1ère Spé
Cours complet : demi-équations, tableau d'avancement, proportions stœchiométriques, transformation totale ou non totale.