- 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.
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.
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).
Oxydant, réducteur et couple
Un oxydant est une espèce capable de capter un ou plusieurs électrons. Un réducteur est une espèce capable d'en céder.
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.
| Couple Ox/Red | Demi-équation électronique |
|---|---|
| Cu2+/Cu | Cu2+(aq) + 2 e− = Cu(s) |
| Zn2+/Zn | Zn2+(aq) + 2 e− = Zn(s) |
| Ag+/Ag | Ag+(aq) + e− = Ag(s) |
| H+/H2 | 2 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) |
- Écrire les deux espèces du couple et conserver les éléments autres que O et H.
- Conserver l'élément oxygène en ajoutant des molécules d'eau $\mathrm{H_2O}$.
- Conserver l'élément hydrogène en ajoutant des ions $\mathrm{H^+}$.
- Conserver la charge en ajoutant des électrons du côté où il y a trop de charges positives.
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.
- Identifier les deux couples mis en jeu.
- Écrire les deux demi-équations, le réactif de chaque couple étant à gauche.
- Multiplier pour faire apparaître le même nombre d'électrons échangés.
- Additionner, puis simplifier les espèces présentes des deux côtés ($\mathrm{e^-}$, $\mathrm{H^+}$, $\mathrm{H_2O}$).
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.
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.
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.
L'avancement de la réaction
$x$ 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
- Écrire l'équation équilibrée et, en tête de colonnes, les espèces concernées.
- Calculer les quantités de matière initiales ($n=C\cdot V$, $n=m/M$…) : ligne « état initial ».
- État intermédiaire : $n_0-\nu\,x$ pour un réactif, $n_0+\nu\,x$ pour un produit.
- État final : remplacer $x$ par $x_f$.
Avancement maximal et réactif limitant
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.
$V_1=20$ 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 $\mathrm{Cu^{2+}}$.
| État | Avancement (mmol) | n(Cu²⁺) | n(HO⁻) | n(Cu(OH)₂) |
|---|---|---|---|---|
| Initial | $x=0$ | 2,0 | 7,5 | 0 |
| Intermédiaire | $0\le x\le x_{max}$ | 2,0 − $x$ | 7,5 − 2$x$ | $x$ |
| Final | $x_{max}=2{,}0$ | 0 | 3,5 | 2,0 |
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.
Transformation totale ou non totale
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
- 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
Réactif limitant et tableau d'avancement
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.
Fiche flash et quiz interactifs
Ressources vidéo
Oxydoréduction
Avancement et réactif limitant