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Chimie · Médecine, pharmacie & dentaire — 1ère année Médecine dentaire

Équilibres d'oxydo-réduction

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

  • Définition : Une réaction d'oxydoréduction est un transfert d'électrons entre un oxydant (capteur d'électrons) et un réducteur (donneur d'électrons).
  • Couple Redox : Noté $Ox/Red$, lié par la demi-équation : $Ox + n e^- \rightleftharpoons Red$.
  • Nombre d'oxydation (n.o.) : Charge fictive d'un atome. L'oxydation est une augmentation du n.o., la réduction est une diminution du n.o.
  • Pile électrochimique : Système convertissant l'énergie chimique en énergie électrique. La force électromotrice (f.e.m) est $E = E_{cathode} - E_{anode}$.
  • Équation de Nernst : $E = E^0 + \frac{0,059}{n} \log \frac{[Ox]}{[Red]}$ à 25°C.

Méthodes à maîtriser

  • Équilibrer une demi-équation en milieu acide : 1. Équilibrer l'élément principal, 2. Équilibrer l'oxygène avec $H_2O$, 3. Équilibrer l'hydrogène avec $H^+$, 4. Équilibrer les charges avec $e^-$.
  • Calculer la constante d'équilibre $K$ : $\log K = \frac{n(E^0_1 - E^0_2)}{0,059}$.

Exemples corrigés

  • Couple $MnO_4^- / Mn^{2+}$ : $MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \rightleftharpoons Mn^{2+} + 4H_2O$.
  • Calcul de $E$ pour $Fe^{3+}/Fe^{2+}$ si $[Fe^{3+}] = 0,1M$ et $[Fe^{2+}] = 0,01M$ : $E = 0,77 + 0,059 \log(10) = 0,829 V$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier les coefficients stoechiométriques lors de l'équilibrage des charges.
  • Inverser l'anode et la cathode (Anode = Oxydation, Cathode = Réduction).
  • Utiliser la loi de Nernst sans convertir la température si elle n'est pas à 25°C (à vérifier par le professeur).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Équilibres d'oxydo-réduction

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Dans la réaction $Fe + Cu^{2+} \rightarrow Fe^{2+} + Cu$, quelle espèce est oxydée ?

❓ Questions fréquentes

Kifach n3ref chkoun li oxydant w chkoun li reducteur f'chi couple?
  1. Regarde la position des électrons dans la demi-équation : $Ox + n e^- \rightleftharpoons Red$.
  2. L'oxydant est toujours celui qui est du côté des électrons (il les "mange").
  3. Le réducteur est celui qui est seul, sans électrons à ses côtés.

💡 À retenir : L'oxydant est l'espèce qui gagne des électrons, le réducteur est celle qui en perd.

Est-ce que le nombre d'oxydation peut être négatif ?

Oui, tout à fait. Le nombre d'oxydation peut être positif, négatif ou nul.

  1. Pour un corps simple (ex: $O_2$, $Fe$), le n.o. est 0.
  2. Pour un ion monoatomique (ex: $Cl^-$), le n.o. est égal à la charge de l'ion (-1).
  3. Dans une molécule, la somme des n.o. doit être égale à la charge globale de la molécule.

💡 À retenir : Le n.o. reflète l'état électronique de l'atome, il n'est pas limité aux nombres positifs.

Kifach n7seb la constante d'équilibre K mn potentiel standard?

Utilise la relation issue de l'enthalpie libre standard :

  1. Identifie le nombre d'électrons échangés $n$ dans l'équation bilan.
  2. Calcule la différence de potentiel standard $\Delta E^0 = E^0_{oxydant} - E^0_{reducteur}$.
  3. Applique la formule : $\log K = \frac{n \cdot \Delta E^0}{0,059}$.
  4. Calcule $K = 10^{\frac{n \cdot \Delta E^0}{0,059}}$.

💡 À retenir : Plus $\Delta E^0$ est grand, plus la réaction est totale ($K$ très grand).

Est-ce que le pont salin est obligatoire dans une pile ?

Oui, il est indispensable pour assurer deux rôles :

  1. Fermer le circuit électrique en permettant le passage des ions.
  2. Assurer l'électroneutralité des solutions dans les deux demi-piles en compensant l'accumulation de charges.

💡 À retenir : Sans pont salin, le courant s'arrête instantanément car les solutions se polarisent.

Chno hiya l'relation bin l'oxydation et l'augmentation dyal n.o. ?

L'oxydation est définie par une perte d'électrons. Comme les électrons sont chargés négativement, en perdre augmente la valeur algébrique du nombre d'oxydation.

  1. Oxydation : $n.o.$ augmente.
  2. Réduction : $n.o.$ diminue.

💡 À retenir : Oxydation = Augmentation du n.o. (Moyen mnémotechnique : O-A).

Pourquoi le potentiel d'une électrode dépend-il de la concentration ?

Le potentiel d'une électrode mesure la "pression" électronique de l'espèce.

  1. Plus la concentration de l'oxydant est élevée, plus il a tendance à capter des électrons, ce qui augmente le potentiel.
  2. La loi de Nernst traduit mathématiquement cette dépendance thermodynamique.

💡 À retenir : La concentration modifie l'activité chimique, donc le potentiel d'électrode.

Comment équilibrer une réaction redox en milieu basique ?
  1. Équilibre d'abord comme en milieu acide (avec $H^+$).
  2. Ajoute autant de $OH^-$ de chaque côté qu'il y a de $H^+$.
  3. Simplifie les $H^+$ et $OH^-$ en formant des molécules d'eau ($H_2O$).
  4. Simplifie les molécules d'eau restantes.

💡 À retenir : En milieu basique, on ne doit jamais voir apparaître de $H^+$ dans le bilan final.

Quelle est la différence entre une pile et une électrolyse ?
  1. Pile : Réaction spontanée ($\Delta G < 0$), elle produit du courant.
  2. Électrolyse : Réaction forcée ($\Delta G > 0$), elle consomme du courant pour inverser une réaction.

💡 À retenir : Pile = Générateur ; Électrolyse = Récepteur.

Est-ce que le solvant (eau) peut réagir dans une pile ?

Oui, l'eau peut être oxydée ou réduite selon les potentiels des couples en présence.

  1. Couple $O_2/H_2O$ (oxydation de l'eau).
  2. Couple $H_2O/H_2$ (réduction de l'eau).

💡 À retenir : Il faut toujours vérifier si les potentiels des couples de l'eau ne sont pas "intercalés" entre ceux de la pile.

Kifach n3ref l'anode mn l'cathode f'pile?
  1. Regarde les potentiels standards : l'électrode avec le potentiel le plus élevé est la cathode.
  2. L'électrode avec le potentiel le plus faible est l'anode.

💡 À retenir : Anode = Oxydation, Cathode = Réduction (Rappel : Anode commence par une voyelle, Oxydation par une voyelle).

Pourquoi le métal zinc se dissout-il dans une solution de sulfate de cuivre ?

Il s'agit d'une réaction d'oxydoréduction spontanée : $Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$.

  1. Le couple $Zn^{2+}/Zn$ a un potentiel plus faible que $Cu^{2+}/Cu$.
  2. Le zinc cède ses électrons au cuivre.

💡 À retenir : Le métal le plus réducteur réduit l'ion du métal le moins réducteur.

Le nombre d'électrons dans l'équation bilan doit-il être toujours le même ?

Oui, le nombre d'électrons perdus par le réducteur doit être exactement égal au nombre d'électrons gagnés par l'oxydant.

  1. On multiplie les demi-équations par des coefficients pour que $n_1 \cdot e^- = n_2 \cdot e^-$.
  2. Les électrons n'apparaissent jamais dans l'équation bilan finale.

💡 À retenir : Conservation de la charge et de la matière.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On considère une pile constituée d'une électrode de cuivre plongeant dans une solution de $Cu^{2+}$ (1,0 M) et d'une électrode d'argent plongeant dans une solution de $Ag^+$ (1,0 M). Données : $E^0(Cu^{2+}/Cu) = 0,34 V$ ; $E^0(Ag^+/Ag) = 0,80 V$.

  1. Écrire les demi-équations aux électrodes.
  2. Écrire l'équation bilan de la réaction de fonctionnement.
  3. Calculer la f.e.m. de la pile.
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Exercice 2

Calculer la constante d'équilibre $K$ de la réaction : $Zn(s) + 2H^+ \rightarrow Zn^{2+} + H_2(g)$ à 25°C. Données : $E^0(Zn^{2+}/Zn) = -0,76 V$ ; $E^0(H^+/H_2) = 0,00 V$.

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Exercice 3

Déterminer le nombre d'oxydation du chrome dans l'ion dichromate $Cr_2O_7^{2-}$.

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