Physique-Chimie · BTS & DUT (EST) — BTS

Transformations associées à des réactions d'oxydoréduction

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Réaction d'oxydoréduction : Transfert d'électrons entre un oxydant et un réducteur.
Couple Ox/Red : $Ox + n e^- \rightleftharpoons Red$ .
Pile Daniell : Constituée de deux demi-piles reliées par un pont salin.
Fonctionnement : À l'anode (pôle -), il y a oxydation. À la cathode (pôle +), il y a réduction.
Équation de fonctionnement : $a Ox_1 + b Red_2 \rightarrow a Red_1 + b Ox_2$ .
Force électromotrice (f.é.m) : $E = V_+ - V_-$ .

Méthodes à maîtriser

Équilibrer une demi-équation : Ajuster l'élément principal, puis les atomes d'oxygène (avec $H_2O$ ), les hydrogènes (avec $H^+$ ) et enfin les charges (avec $e^-$ ).
Schéma conventionnel d'une pile : $(-)$ $M_1 | M_1^{n+} || M_2^{m+} | M_2$ $(+)$ .
Calcul de $Q_{r,max}$ : Utiliser les concentrations à l'équilibre.

Exemples corrigés

Exemple : Pile Zinc-Cuivre.
- Anode : $Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^-$ .
- Cathode : $Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s)$ .
- Bilan : $Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$ .

Erreurs fréquentes

Oublier de multiplier les demi-équations pour que le nombre d'électrons soit identique.
Inverser les pôles de la pile (l'anode est toujours le pôle négatif).
Ne pas préciser l'état physique des espèces dans l'équation bilan.

L'essentiel du cours

Réaction d'oxydoréduction : Transfert d'électrons entre un oxydant et un réducteur.
Couple Ox/Red : $Ox + n e^- \rightleftharpoons Red$.
Pile Daniell : Constituée de deux demi-piles reliées par un pont salin.
Fonctionnement : À l'anode (pôle -), il y a oxydation. À la cathode (pôle +), il y a réduction.
Équation de fonctionnement : $a Ox_1 + b Red_2 \rightarrow a Red_1 + b Ox_2$.
Force électromotrice (f.é.m) : $E = V_+ - V_-$.

Méthodes à maîtriser

Équilibrer une demi-équation : Ajuster l'élément principal, puis les atomes d'oxygène (avec $H_2O$), les hydrogènes (avec $H^+$) et enfin les charges (avec $e^-$).
Schéma conventionnel d'une pile : $(-)$ $M_1 | M_1^{n+} || M_2^{m+} | M_2$ $(+)$.
Calcul de $Q_{r,max}$ : Utiliser les concentrations à l'équilibre.

Exemples corrigés

Exemple : Pile Zinc-Cuivre.
- Anode : $Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^-$.
- Cathode : $Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s)$.
- Bilan : $Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$.

Erreurs fréquentes

Oublier de multiplier les demi-équations pour que le nombre d'électrons soit identique.
Inverser les pôles de la pile (l'anode est toujours le pôle négatif).
Ne pas préciser l'état physique des espèces dans l'équation bilan.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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🎯 Transformations associées à des réactions d'oxydoréduction

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Dans une pile, l'anode est le siège de :

❓ Questions fréquentes

Kifach n3ref chkoun hiya l'anode w chkoun hiya la cathode?

L'anode est toujours le pôle négatif $(-)$ où se produit l'oxydation (perte d'électrons).
La cathode est toujours le pôle positif $(+)$ où se produit la réduction (gain d'électrons).
Si on te donne le sens du courant $I$ dans le circuit extérieur, les électrons circulent en sens inverse de $I$ . Ils sortent de l'anode pour aller vers la cathode.

💡 À retenir : Anode = Oxydation = Pôle (-).

L'anode est toujours le pôle négatif $(-)$ où se produit l'oxydation (perte d'électrons).
La cathode est toujours le pôle positif $(+)$ où se produit la réduction (gain d'électrons).
Si on te donne le sens du courant $I$ dans le circuit extérieur, les électrons circulent en sens inverse de $I$. Ils sortent de l'anode pour aller vers la cathode.

💡 À retenir : Anode = Oxydation = Pôle (-).

Chno hiya l'utilité dyal l'pont salin f'la pile?

Le pont salin (ou pont électrolytique) a deux rôles essentiels :

Il assure la fermeture du circuit électrique en permettant le passage des ions.
Il maintient l'électroneutralité des solutions dans chaque demi-pile en compensant l'excès d'ions formés ou consommés.

💡 À retenir : Sans pont salin, la réaction s'arrête instantanément.

Kifach n7seb la f.é.m dyal la pile?

La force électromotrice $E$ d'une pile est la tension mesurée à ses bornes lorsqu'elle ne débite aucun courant (circuit ouvert).

On utilise un voltmètre branché entre les deux électrodes.
$E = V_{cathode} - V_{anode}$ .
Elle est toujours positive pour une pile qui fonctionne spontanément.

💡 À retenir : $E = V_+ - V_- > 0$ .

La force électromotrice $E$ d'une pile est la tension mesurée à ses bornes lorsqu'elle ne débite aucun courant (circuit ouvert).

On utilise un voltmètre branché entre les deux électrodes.
$E = V_{cathode} - V_{anode}$.
Elle est toujours positive pour une pile qui fonctionne spontanément.

💡 À retenir : $E = V_+ - V_- > 0$.

Pourquoi le nombre d'électrons doit-il être identique dans les deux demi-équations ?

Parce que les électrons libérés par le réducteur lors de l'oxydation doivent être intégralement consommés par l'oxydant lors de la réduction. Il ne peut pas y avoir d'accumulation d'électrons dans le système.

💡 À retenir : La conservation de la charge impose l'égalité des électrons échangés.

Est-ce que la constante d'équilibre K dépend de la température ?

Oui, la constante d'équilibre $K$ d'une réaction d'oxydoréduction dépend uniquement de la température. Elle ne dépend pas des concentrations initiales des réactifs.

💡 À retenir : $K = f(T)$ uniquement.

Oui, la constante d'équilibre $K$ d'une réaction d'oxydoréduction dépend uniquement de la température. Elle ne dépend pas des concentrations initiales des réactifs.

💡 À retenir : $K = f(T)$ uniquement.

Comment savoir si une réaction d'oxydoréduction est spontanée ?

Il faut comparer le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$ à la constante d'équilibre $K$ .

Si $Q_{r,i} < K$ , la réaction évolue spontanément dans le sens direct.
Si $Q_{r,i} > K$ , la réaction évolue dans le sens inverse.
Si $Q_{r,i} = K$ , le système est à l'équilibre.

💡 À retenir : Le critère d'évolution est $Q_{r,i} < K$ .

Il faut comparer le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$ à la constante d'équilibre $K$.

Si $Q_{r,i} < K$, la réaction évolue spontanément dans le sens direct.
Si $Q_{r,i} > K$, la réaction évolue dans le sens inverse.
Si $Q_{r,i} = K$, le système est à l'équilibre.

💡 À retenir : Le critère d'évolution est $Q_{r,i} < K$.

Est-ce que le pont salin s'use avec le temps ?

Oui, les ions contenus dans le pont salin migrent vers les demi-piles pour assurer l'électroneutralité. À terme, le pont salin s'épuise, ce qui entraîne l'arrêt du fonctionnement de la pile.

💡 À retenir : Le pont salin est un consommable.

Pourquoi utilise-t-on des électrodes métalliques ?

Les électrodes servent de collecteurs d'électrons. Elles permettent de transférer les électrons du circuit extérieur vers la solution (ou inversement) sans participer directement à la réaction, sauf si l'électrode elle-même est le métal du couple (ex: électrode de Cuivre).

💡 À retenir : L'électrode est le siège de l'échange électronique.

Quelle est la différence entre une pile et un accumulateur ?

Une pile est un système qui transforme l'énergie chimique en énergie électrique de manière irréversible (une fois les réactifs consommés, elle est "morte"). Un accumulateur est un système réversible : on peut le recharger en imposant un courant inverse pour régénérer les réactifs.

💡 À retenir : Pile = irréversible ; Accumulateur = rechargeable.

Est-ce que le volume des solutions change la valeur de K ?

Non, le volume des solutions ne modifie pas la valeur de la constante d'équilibre $K$ . $K$ est une caractéristique thermodynamique propre à la réaction à une température donnée.

💡 À retenir : $K$ est indépendante des quantités de matière initiales.

Non, le volume des solutions ne modifie pas la valeur de la constante d'équilibre $K$. $K$ est une caractéristique thermodynamique propre à la réaction à une température donnée.

💡 À retenir : $K$ est indépendante des quantités de matière initiales.

Comment écrire le schéma d'une pile si on a des couples sans métal solide ?

Si une demi-pile ne contient pas de métal solide (ex: couple $Fe^{3+}/Fe^{2+}$ ), on utilise une électrode inerte, généralement en platine (Pt) ou en graphite, qui conduit les électrons sans réagir.

💡 À retenir : Utiliser une électrode inerte (Pt) si nécessaire.

Si une demi-pile ne contient pas de métal solide (ex: couple $Fe^{3+}/Fe^{2+}$), on utilise une électrode inerte, généralement en platine (Pt) ou en graphite, qui conduit les électrons sans réagir.

💡 À retenir : Utiliser une électrode inerte (Pt) si nécessaire.

Est-ce qu'on peut utiliser n'importe quel sel pour le pont salin ?

Il faut choisir un sel dont les ions ne réagissent pas chimiquement avec les espèces présentes dans les demi-piles (pas de précipitation, pas d'oxydoréduction parasite). Le chlorure de potassium ( $KCl$ ) est le plus utilisé car ses ions sont peu réactifs.

💡 À retenir : Choisir des ions "spectateurs" (inertes).

Il faut choisir un sel dont les ions ne réagissent pas chimiquement avec les espèces présentes dans les demi-piles (pas de précipitation, pas d'oxydoréduction parasite). Le chlorure de potassium ($KCl$) est le plus utilisé car ses ions sont peu réactifs.

💡 À retenir : Choisir des ions "spectateurs" (inertes).

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On réalise une pile Daniell avec les couples $Zn^{2+}/Zn$ et $Cu^{2+}/Cu$ . Données : $[Zn^{2+}]_i = [Cu^{2+}]_i = 0,10 \text{ mol/L}$ . $V = 100 \text{ mL}$ .

Écrire les demi-équations aux électrodes.
Écrire l'équation bilan.
Calculer $Q_{r,i}$ .
Sachant que $K = 10^{37}$ , déterminer le sens d'évolution.

Exercice 1

On réalise une pile Daniell avec les couples $Zn^{2+}/Zn$ et $Cu^{2+}/Cu$. Données : $[Zn^{2+}]_i = [Cu^{2+}]_i = 0,10 \text{ mol/L}$. $V = 100 \text{ mL}$.

Écrire les demi-équations aux électrodes.
Écrire l'équation bilan.
Calculer $Q_{r,i}$.
Sachant que $K = 10^{37}$, déterminer le sens d'évolution.

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Une pile est constituée d'une électrode de Nickel dans une solution de $Ni^{2+}$ et d'une électrode d'Argent dans une solution de $Ag^+$ . Le schéma conventionnel est : $(-) Ni | Ni^{2+} || Ag^+ | Ag (+)$ .

Écrire les demi-équations.
Écrire l'équation bilan.
Si la pile débite un courant $I = 50 \text{ mA}$ pendant $\Delta t = 1 \text{ heure}$ , calculer la quantité d'électricité $Q$ échangée.

Exercice 2

Une pile est constituée d'une électrode de Nickel dans une solution de $Ni^{2+}$ et d'une électrode d'Argent dans une solution de $Ag^+$. Le schéma conventionnel est : $(-) Ni | Ni^{2+} || Ag^+ | Ag (+)$.

Écrire les demi-équations.
Écrire l'équation bilan.
Si la pile débite un courant $I = 50 \text{ mA}$ pendant $\Delta t = 1 \text{ heure}$, calculer la quantité d'électricité $Q$ échangée.

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Exercice 3

On considère une pile dont la réaction globale est $2Fe^{3+} + Cu \rightarrow 2Fe^{2+} + Cu^{2+}$ .

Identifier les couples mis en jeu.
Calculer la variation de masse de l'électrode de cuivre si la pile débite $10^{-3} \text{ mol}$ d'électrons. Donnée : $M(Cu) = 63,5 \text{ g/mol}$ .

Exercice 3

On considère une pile dont la réaction globale est $2Fe^{3+} + Cu \rightarrow 2Fe^{2+} + Cu^{2+}$.

Identifier les couples mis en jeu.
Calculer la variation de masse de l'électrode de cuivre si la pile débite $10^{-3} \text{ mol}$ d'électrons. Donnée : $M(Cu) = 63,5 \text{ g/mol}$.

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