Exercices de chimie sur l'oxydo-réduction, Exercices de Chimie Appliquée
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Melissa_s29 January 2014

Exercices de chimie sur l'oxydo-réduction, Exercices de Chimie Appliquée

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Exercices de chimie sur l'oxydo-réduction - Equilibrer une réaction d’oxydo-réduction. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: définitions de oxydant et réducteur, Réaction d’oxydo-réduction, Equilibrer l’équati...
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redox1bad

1

EC1 Chimie 10

Oxydo-réduction

Séverine Canciani Bureau 213 au Sudes Cité scientifique Boulevard Langevin 59 650 Villeneuve d’Ascq Tel : 03.20.33.61.74 Fax : 03.20.43.67.77 Mail : severine.canciani@univ-lille1.fr

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Oxydo-réduction 1 : Equilibrer une réaction d’oxydo-réduction 1. Oxydant et réducteur : Définitions On appelle oxydant une espèce susceptible de capter des électrons (accepteur d’électrons) Exemples : L’ion cuivre (II) Cu2+ peut capter 2 électrons pour donner un atome de cuivre Cu : Cu2+ + 2 e-  Cu Intégrer la vidéo sur la réaction du fer avec une solution d’ion cuivre (II) Chimie-chimie en solution aqueuse, partie apprendre, oxydo-réduction, les réactions d’oxydo-réduction, oxydant et réducteur L’ion argent Ag+ peut capter 1 électrons pour donner un atome d’argent Ag : Ag+ + e-  Ag Le nombre d’électrons que l’oxydant capte est ajusté de façon à ce qu’il y ait conservation de la charge lors de l’équation-bilan écrite. On appelle réducteur une espèce capable de libérer des électrons (donneur d’électrons) Exemples : Le métal Cu se transforme facilement en ion Cu2+ en libérant 2 électrons : Cu  Cu2+ + 2 e- Intégrer la vidéo sur la réaction du cuivre avec une solution d’acide nitrique Chimie-chimie en solution aqueuse, partie apprendre, oxydo-réduction, les réactions d’oxydo-réduction, oxydant et réducteur Ag donne facilement Ag+ et 1 électron : Ag  Ag+ + e-

On voit que le donneur d’électrons Cu est associé à l’accepteur d’électrons Cu2+, de même Ag associé à Ag+.

L’oxydant et le réducteur associés forment un couple (oxydant/réducteur) ou couple redox. Les passages de l’oxydant vers le réducteur d’un même couple ou du réducteur vers l’oxydant sont tous les deux possibles. On traduit cela par l’écriture d’une équation-bilan appelée demi- équation électronique avec une double flèche ou le signe égal séparant oxydant et réducteur : Ag ↔ Ag+ + e- Ag = Ag+ + e-

Dans l’écriture d’un couple, l’oxydant est toujours placé à gauche et séparé du réducteur par une barre oblique : (Ag+/Ag).

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Autres exemples de couples oxydant / réducteur : (Cl2 / Cl

-) (S4O6 2- / S2O3

2-) (Mg2+ / Mg ) (Cu2+ / Cu) (par convention on place l’oxydant à gauche, le réducteur à droite) Les demi-équations électroniques ne sont pas toujours faciles à équilibrer. Pour effectuer cette équilibrage on s’appuie sur deux régles :

- conservation des atomes - conservation des charges -

Retrouvez dans l’animation suivante la méthode générale pour équilibrer n’importe quelle demi-équation électronique : Intégrer l’animation Chimie-chimie en solution aqueuse, partie apprendre, oxydo-réduction, les réactions d’oxydo-réduction, les réactions d’oxydo-réduction, équilibrage des réactions redox, méthode directe d’équilibrage La réaction de perte d’électrons est appelée oxydation La réaction de gain d’électrons est appelée réduction On peut rassembler ces définitions sur le schéma suivant : réduction oxydant + électrons réducteur (demi-équation électronique) oxydation Exercice 1 : Ecrire les demi-équations rédox des couples suivants : 1) (Cl2/Cl

- ) 2) (ClO-/Cl- ) 3) (Cr2O7 2-/Cr3+) 4) (CO2/C2O4

2-) 2. Réaction d’oxydo-réduction Une réaction d’oxydo-réduction est une réaction d’échange d’électrons. Lors d’une réaction d’oxydo-réduction, l’oxydant d’un couple (= accepteur d’électrons) capte les électrons cédés par le réducteur (= donneur d’électrons) de l’autre couple : il y a échange d’électrons entre les deux couples. La demi-équation électronique est un schéma formel pour visualiser le passage de l’oxydant au réducteur d’un même couple. Mais cette demi-équation ne peut s’effectuer seule : les électrons ne sont pas stables et n’existent pas en milieu aqueux. La réaction chimique d’oxydo-réduction est le bilan des deux demi-équations électroniques des couples rédox qui échangent leurs électrons. Le nombre d’électrons apportés par le réducteur doit être égal au nombre d’électrons captés par l’oxydant. Exemple :

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Lorsqu’on plonge une lame de cuivre dans une solution incolore de nitrate d’argent on observe un dépôt gris d’argent métallique qui se forme à la surface du cuivre (qui est rouge) et la solution se colore lentement en bleu. Les ions argent incolores en solution aqueuse se sont transformés au contact du cuivre en métal argent de couleur grise. Le cuivre métallique a donné naissance à des ions cuivre (II) qui colorent en bleu la solution. Le bilan chimique de la réaction est donc le suivant : le métal cuivre réagit avec les ions argent pour donner des ions cuivre (II) et de l’argent métallique Le métal cuivre est oxydé en ions cuivre (II), écrivons la demi-équation électronique du couple (Cu2+/Cu) : Cu → Cu2+ + 2 e- l’ion argent est réduit en argent métallique, écrivons la demi-équation électronique du couple (Ag+/Ag) : Ag+ + e- → Ag Pour écrire la réaction bilan, remarquons que les électrons libérés par le cuivre sont entièrement consommés par des ions argent, les électrons échangés n’apparaissent plus dans l’équation-bilan. Puisqu’1 atome de cuivre libère 2 électrons, il faut 2 ions Ag+ pour les consommer. La stœchiométrie est donc : 2 ions argent pour 1 atome de cuivre. lorsque la demi-équation suivante se fait 1 fois :Cu → Cu2+ + 2 e- (x 1) la deuxième se fait deux fois : Ag+ + e- → Ag (x 2) le bilan est donc : Cu + 2 Ag+ → Cu2+ + 2 Ag Le réducteur Cu subit une oxydation et l’oxydant Ag+ subit une réduction. Dans l’équation-bilan, les électrons n’apparaissent plus. Utiliser la fiche méthode de la page suivante pour répondre aux exercices qui suivent : Exercice 2 : 1) Les ions or ( Au3+) réagissent avec le métal zinc pour donner un dépôt d’or métallique et des ions zinc ( Zn2+). Ecrire l’équation d’oxydo-réduction. 2) Le diiode réagit avec l’ion S2O3

2- . Equilibrer cette réaction en milieu acide en utilisant les couples (S4O6

2-/ S2O3 2-) et (I2/I

-).

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.Fiche méthode

Equilibrer l’équation d’une réaction d’oxydo-réduction en milieu acide

La réaction redox a lieu entre deux couples redox. On commence par écrire pour chacun des couples la demi-équation électronique entre l’Oxydant et le Réducteur du couple. Exemple couple MnO4

- / Mn2+ : - On écrit l’oxydant d’un côté de la flèche et le réducteur de l’autre côté MnO4

- Mn2+ - On équilibre l’élément autre que H ou O. Ici 1 atome de manganèse dans MnO4

- et aussi 1 atome de manganèse dans Mn2+ : l’élément manganèse est équilibré.

- Ensuite on équilibre l’élément oxygène en ajoutant des molécules d’eau Ici 4 atomes d’oxygène à gauche dans MnO4

- , il faut donc ajouter 4 molécules d’eau à droite :

MnO4 - Mn2+ + 4 H2O

- Il reste à équilibrer les atomes d’hydrogène par des ions H+ : il faut ajouter 8 ions H+ à gauche

MnO4 - + 8 H+ Mn2+ + 4 H2O

- Enfin il est nécessaire d’équilibrer la charge électrique par des électrons ; ici charge –1 + 8 = +7 à gauche et +2 à droite, il faut donc ajouter 5 électrons à gauche.

MnO4 - + 8 H+ + 5 e- Mn2+ + 4 H2O

On écrit de la même façon la demi-équation électronique du deuxième couple redox : Ex : Fe3+ + e- Fe2+ Bilan : Le couple (MnO4

-/Mn2+), E° = 1,51 V est plus oxydant que le couple (Fe3+/Fe2+), E° = 0,77V ; la réaction spontanée se fait entre l’oxydant le plus fort MnO4

- et le réducteur le plus fort Fe2+ On superpose les demi-équations électroniques écrites dans le sens de la réaction spontanée :

MnO4 - + 8 H+ + 5 e- Mn2+ + 4 H2O

Fe2+ Fe3+ + e- Et on écrit que le nombre d’électrons consommés par la réduction est nécessairement égal au nombre d’électrons libérés par l’oxydation : il faut éventuellement multiplier les demi- équations électroniques par des coefficients pour avoir le même nombre d’électrons libérés par l’oxydation et consommés dans la réduction :

MnO4 - + 8 H+ + 5 e- Mn2+ + 4 H2O x 1

Fe2+ Fe3+ + e- x 5 _________________________________________

Bilan : MnO4

- + 8 H+ + 5 Fe2+ → Mn2+ + 4 H2O + 5 Fe 3+

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II Prévision d’une réaction rédox

1. Le potentiel standard d’un couple On peut attribuer à chaque couple oxydant-réducteur un potentiel redox standard E0 (en volt). Plus l’oxydant d’un couple est puissant, plus son potentiel redox est élevé. Par contre, la force d’un réducteur augmente quand son potentiel diminue. Par convention on attribue la valeur zéro au potentiel standard du couple (H+/H2(g)) , ceci à toute température. Les couples plus réducteurs que (H+ /H2) ont donc un potentiel standard négatif. Les couples plus oxydants que (H+ /H2) ont donc un potentiel standard positif. Vous trouverez à la page suivante une table des potentiels rédox standard à 25°C des couples les plus couramment utilisés.

2. Prévision d’une réaction rédox Une réaction spontanée est une réaction qui se fait seule sans apport d’énergie extérieur, c’est à dire qui se produit naturellement. Si on met en présence l’oxydant 1 du couple ( ox1/red1) avec le réducteur 2 du couple (ox2/red2), pour qu’il y ait réaction spontanée, il faut que le potentiel E(Ox1/Red1) soit supérieur au potentiel E(Ox2/Red2). Exercice 3 : Peut-on avoir une réaction spontanée entre : ( écrire la réaction-bilan lorsque la réaction est spontanée) • Le zinc et les ions Fe2+ ? • L’or et les ions Cu2+ ? • L’ion mercure Hg2+ et l’argent ? • Attaque de l’acide chlorhydrique sur le cuivre ? On pourra considérer qu’une réaction rédox est totale quand l’écart entre le potentiel standard de l’oxydant et le potentiel standard du réducteur est supérieur à 0,3V. Les réactions spontanées étudiées dans l’exercice 1 sont-elles totales ?

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Quelques potentiels redox standard à 25°C :

Oxydant Réducteur E° (V) F2 F

- 2,87 S2O8

2- SO4 2- 2,01

H2O2 H2O 1,77 MnO4

- MnO2 1,69 MnO4

- Mn2+ 1,51 Au3+ Au 1,50 PbO2 Pb

2+ 1,45 Cl2(g) Cl

- 1,36 Cr2O7

2- Cr3+ 1,33 MnO2 Mn

2+ 1,23 O2(g) H2O 1,23 Br2(aq) Br

- 1,08 NO3

- NO(g) 0,96 Hg2+ Hg 0,85 NO3

- NO2 - 0,84

Ag+ Ag 0,80 Fe3+ Fe2+ 0,77 O2(g) H2O2 0,68 I2(aq) I

- 0,62 Cu2+ Cu 0,34 CH3CHO C2H5OH 0,19 SO4

2- SO2(aq) 0,17 S4O6

2- S2O3 2- 0,09

H+ H2(g) 0,00 CH3COOH CH3CHO -0,12 Pb2+ Pb -0,13 Sn2+ Sn -0,14 Ni2+ Ni -0,23 Co2+ Co -0,29 Cd2+ Cd -0,40 Fe2+ Fe -0,44 Zn2+ Zn -0,76 Al3+ Al -1,66 Mg2+ Mg -2,37 Na+ Na -2,71 K+ K -2,92

pouvoir réducteur croissant

pouvoir oxydant croissant

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III Dosage d’oxydo-réduction

1. Qu’est-ce qu’un dosage ? Le but d’un dosage est de déterminer la concentration d’une solution inconnue d’un composé A. Pour cela on provoque une réaction chimique entre le composé A et un autre composé B. C’est la réaction de dosage. Cette réaction doit être : • rapide • totale • unique En pratique , on introduit progressivement des quantités croissantes de la solution B dans un volume connu de la solution de A jusqu ‘à ce que toutes les molécules de A aient été consommées. On dit alors que l’on a atteint l’équivalence. Au point de l ‘équivalence, les espéces A et B ont été introduites en proportions stoechiométriques par rapport à la réaction de dosage. Par exemple : soit la réaction de dosage suivante : 2A + B  C , on a la relation entre les quantités de matière nA et nB introduites à l’équivalence nA/2 = nBLa solution B est appelée solution titrante Les dosages s’effectuent à l’aide d’instruments de verrerie adaptés : la solution A est en général placée dans un becher ou un erlen tandis que l’on mesure le volume de solution B grâce à une burette. Dans ce chapitre, la réaction de dosage est une réaction d’oxydo- réduction. Le repérage de l’équivalence se fera pour cette année par un changement de couleur. D’autres méthodes sont possibles, par exemple par mesure du potentiel de la solution que l’on ne verra pas ici.

2. Exemple : dosage d’une solution de fer (II) par une solution de permanganate de potassium

La solution d’ion fer(II) est dans un becher alors que la solution titrante contenant les ions permanganate est délivrée par une burette. Ecrivons la réaction de dosage : MnO4

- + 8 H+ + 5 Fe2+ → Mn2+ + 4 H2O + 5 Fe 3+

Cette réaction fait intervenir des ions H+ en tant que réactifs, il faudra donc travailler en milieu acide. L’acide chlorhydrique (H+, Cl-) doit être éviter car les ions chlorure ont des propriétés rédox et pourraient intervenir dans le dosage. On utilisera plutôt de l’acide sulfurique H2SO4 . Justifions son caractère spontané et total : E0(MnO4

-/Mn2+) = 1,51 V et E0(Fe3+/Fe2+) = 0,77V Le potentiel de l’oxydant (MnO4

-) est bien supérieur à celui du réducteur (Fe2+), la réaction est donc bien spontanée. De plus, l’écart entre les potentiels est supérieur à 0,3V, la réaction est bien totale.

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Quelle est la relation entre la quantité de matière en ion fer (II) présent initialement et la quantité d’ion permanganate introduit à l’équivalence ? n(Fe2+)/5 = n(MnO4

-) La question est maintenant de savoir comment repérer l’équivalence. On va essayer de repérer l’équivalence par un changement de couleur dans le becher. Il faut alors savoir que les ions permanganate sont de couleur violette alors que tous les autres ions sont incolores. • Contenu du becher avant l’équivalence : l’ion permanganate est introduit en défaut. Il est

alors complètement consommé. Dans le becher, il y a : ion Mn2+, ion Fe2+( non complètement consommés car ils étaient en excès), ion Fe3+.

Couleur de la solution contenue dans le becher : incolore • Contenu du becher à l’équivalence : l’ion permanganate a été introduit dans les

proportions stœchiométriques par rapport aux ions Fe2+. Ces deux ions ont été complètement consommés par la réaction de dosage totale. Dans le becher , il reste : Mn2+ et Fe3+.

Couleur : incolore • Contenu du becher après l’équivalence : l’ion permanganate est introduit en excés. Il ne

reste plus d’ion Fe2+, l’ion permanganate s’accumule dans le milieu. Couleur : violette Conclusion : l’équivalence peut être repérée lors du changement de couleur dans le becher qui passe de incolore à violette. Exercice 4 : Dans un erlen de 200 cm3, on introduit 10 cm3 d’une solution contenant du sulfate de fer(II) de concentration inconnue Cred , exactement mesurés à la pipette, puis environ 20 cm3 d’eau distillée et 1 mL d’acide sulfurique concentrée. La solution de permanganate de potassium de concentration connue égale à Cox =0,02 mol.L-1 est introduit dans la burette. Le changement de couleur dans l’erlen est obtenu après avoir ajouté 11,9 mL de solution d’ion permanganate. Déterminer la concentration Cred. Exercice 5 : L’ion dichromate Cr2O7

2- oxyde l’éthanol ( CH3CH2OH) en éthanal (CH3COH) pour être

réduit en ion chrome Cr3+ en milieu acide. On effectue le dosage en milieu acide de 10 mL d’une solution alcoolique par une solution de dichromate de potassium de concentration 0,015 mol.L-1. A l’équivalence, on a versé 11,2 mL de solution de dichromate de potassium. Comment repérer l’équivalence en sachant que l’ion dichromate est orangé, tandis que l’ion chrome est vert ? Ecrire la réaction de dosage, justifier son caractère spontané. Calculer la concentration de la solution alcoolique.

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Quelques exercices complémentaires : Exercice 6 : L’eau oxygénée( solution aqueuse de péroxyde d’hydrogène H2O2) conduit à la formation de dioxygène lorsqu’on la met en contact avec une blessure. Expliquer en sachant que cette réaction est une réaction d’oxydo-réduction dans laquelle le péroxyde d’hydrogène intervient en tant que oxydant et en tant que réducteur. Quels sont les couples rédox concernés ? Exercice 7 : Des morceaux d’aluminium sont décapés puis pesés, leur masse est égale à 0,16g. Ils sont ensuite totalement immergés dans une solution de 200mL de sulfate de cuivre (II) de concentration c = 0,10 mol.L-1. Ecrire l’équation-bilan de la réaction qui a lieu. Décrire le système final en précisant les concentrations des différents ions en solution. Exercice 8 : On prépare 0,5 L d’une solution de sulfate d’aluminium(III) de façon à avoir une concentration molaire en ion Al3+ égale à 1,00.10-2 mol.L-1.

1) Quelle masse de sulfate d’aluminium(III) faut-il peser pour obtenir cette solution ? 2) Sachant que le magnésium est oxydé par l’ion Aluminium en ion Mg2+, quelle doit être la

masse minimale d’un ruban de magnésium afin de faire réagir tous les ions aluminium ? Exercice 9 : Fabrication de l’eau de Javel L’eau de Javel est fabriquée en solution aqueuse selon une réaction rédox d’équation-bilan : Cl2 + 2 HO

-  ClO- + Cl- + H2O 1) Le degré chlorométrique ( °Chl) d’une eau de Javel est le volume de dichlore qui a été

utilisé pour préparer 1L de solution. Déterminer le volume de dichlore qui a été nécessaire pour préparer un berlingot de 250mL d’eau de Javel à 48°Chl. 2) Quelles sont les concentrations en ions hypochlorite ClO- et en ions chlorure de cette eau

de Javel. 3) Lors de l’utilisation de l’eau de Javel, il faut faire attention à ne pas la mettre en contact

avec des solutions trop acides. Expliquer. Exercice 10 : Dosage des ions nitrates dans un engrais Un engrais contient l’élément azote sous forme de nitrate d’ammonium. On préléve 1,0 g de cet engrais que l’on dissout pour préparer 100 mL de solution de concentration C1 en ions nitrate. A V0 = 50,0 mL d’une solution acidifiée de sulfate de fer (II) de concentration égale à c0= 0,10 mol.L-1, on ajoute V1= 10,0 mL de la solution d’engrais. Un gaz incolore , qui devient roux à l’air, se forme. Une fois le dégagement gazeux terminé, on dose les ions fer(II) restants par une solution de permanganate de potassium à C2= 0,050 mol.L-1. L’équivalence est obtenue pour un volume V2= 13,2 mL en solution d’ions permanganate . Ecrire les équation-bilan de toutes les réactions qui ont eu lieu. En déduire C1 la concentration en ions nitrate dans la solution d’engrais puis le pourcentage massique en azote dans l’engrais solide.

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Exercice 11 : Une masse de 4g d’un échantillon impur de fer est traitée par de l’acide sulfurique en excés. La solution obtenue est placée dans une fiole de 500 mL que l’on complète avec de l ‘eau distillée jusqu’au trait de jauge. On préléve 10 cm3 de cette solution que l’on dose par une solution de dichromate de potassium ( 2K+,Cr2O7

2-) de concentration 2,5.10-2mol.L-1. 1) Ecrire les demi-équations rédox qui font intervenir les couples (Fe 3+/Fe2+) et (Cr2O7

2-/Cr3+). En déduire l’équation-bilan de la réaction de dosage 2) Faire un schéma du dispositif expérimental . Avec quel instrument de verrerie va-t-on

prélever les 10 cm3 de solution dosée ? 3) L’ion dichromate est de couleur orangée, tandis que l’ion chromate Cr3+ est de couleur

verte. Décrire , en expliquant, le changement de couleur qui permet de repérer l’équivalence.

4) Le changement de couleur décrit précédemment s’obtient pour 8 mL de solution de dichromate de potassium versés. Déterminer la concentration en ion fer Fe2+ de la solution contenue dans la fiole.

5) En déduire le pourcentage en fer dans l’échantillon métallique.

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