Chim  N° 04 :
Notion de potentiel
d'oxydoréduction.
Cours

 

   

 

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I- Étude de la pile zinc-cuivre.
1)- Dispositif expérimental.
2)- Observations.
3)- Interprétations.

4)- Influence de la concentration des ions.
II- Connaissances essentielles.
III- Potentiel d'oxydoréduction.
1)- Couple de référence.

2)- Électrode standard à hydrogène : E.S.H

3)- Définition du potentiel d'oxydoréduction d'un couple Ox / Red.

4)- Détermination pratique d'un potentiel d'oxydoréduction.

IV- Utilisation des potentiels d'oxydoréduction.

V- Applications.

Exercices 10, 11, 15 pages 85 - 86.

I- Étude de la pile zinc-cuivre.

1)- Dispositif expérimental.

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2)- Observations.

- Le voltmètre électronique mesure la tension UPN = 1,1 V, l'électrode de cuivre constitue le pôle positif de la pile.

- L'électrode de zinc constitue le pôle moins de la pile.

- Si on utilise un voltmètre électronique, sa résistance interne est très grande et la valeur affichée donne pratiquement la force électromotrice de la pile ainsi constituée :

- UPN = VCuVZneZn-Cu ≈ 1,1 V

- Le courant électrique circule de la lame de cuivre vers celle de zinc et les électrons circulent de la lame de zinc vers la lame de cuivre dans les fils électriques.

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3)- Interprétations.

- Dans le circuit extérieur (fil, électrodes, ) les porteurs de charge sont les électrons.

- Dans les solutions, les porteurs de charges sont les ions.

- Le pont salin assure la migration des ions et empêche le mélange des solutions, il est constitué d'une solution gélifiée de chlorure de potassium.

- Dans les solutions le courant électrique est dû à une double migration des ions positif et négatif se déplaçant en sens inverse.

- Les ions positifs se déplacent dans le sens conventionnel du courant et les ions négatifs se déplacent dans le sens inverse (même sens que celui des électrons).

- Les électrons sont fournis par l'électrode de zinc qui est le pôle négatif.

- Il se produit la réaction suivante :

 

 

 

Oxydation

 

 

 

Zn (s)

 

 

=

Zn2+ (s)

+

2 e

Red

 

 

 

Ox

 

 

- Les atomes de zinc de la plaque sont oxydés en ions zinc II et cèdent deux électrons.

- Le pôle - de la pile est le siège d'une oxydation, on l'appelle l'anode.

- Les électrons, cédés par la réaction précédente, arrivent à l'électrode de cuivre.

- Ils sont consommés au cours de la réaction suivante :

 

 

 

Réduction

 

 

 

Cu2+ (aq)

+

2 e

=

Cu (s)

 

 

Ox

 

 

 

Red

 

 

- Les ions cuivre II présents dans la solution sont réduits et donnent du cuivre métal qui se dépose sur l'électrode de cuivre

- Le pôle + de la pile est le siège d'une réduction, on l'appelle la cathode.

- Bilan de la réaction :

Cu2+ (aq)

+

Zn (s)

Cu

+

Zn2+ (aq)

 

- Le bilan chimique de fonctionnement de la pile est celui de la réaction naturelle qui a lieu entre ses deux couples.

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4)- Influence de la concentration des ions.

- Une plaque de métal M appelée électrode plongeant dans une solution contenant des ions métalliques Mn+ constitue une demi-pile.

- L'association de deux demi-piles constitue un générateur électrochimique appelé pile.

- La f.e.m de la pile dépend de la concentration en ions métalliques dans les solutions des deux demi-piles.

- Pour pouvoir comparer les demi-piles, on définit des conditions standard :

-    [Mn+] = 1,0 mol / L et P = 1013 hPa

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II- Connaissances essentielles.

- Une pile est constituée de deux demi-piles reliées électriquement par un pont salin.

- Le pôle moins est constitué par le métal le plus réducteur.

- Le pôle plus est constitué par le métal le moins réducteur.

- Le pôle moins est le siège d'une oxydation.

- Le pôle plus est le siège d'une réduction.

- L'oxydation se produit à l'anode.

- La réduction se produit à la cathode.

- Les deux réactions se produisent simultanément et le bilan est identique à celui de la réaction naturelle entre les deux couples mis en jeu.

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III- Potentiel d'oxydoréduction.

1)- Couple de référence.

- Les f.e.m mesurées sont égales aux différences de potentiel existant entre les bornes des deux demi-piles.

- On peut caractériser la demi-pile Cu2+ / Cu par un potentiel, appelé potentiel Ox / Red du couple considéré.

On peut faire la même chose pour le couple Zn2+ / Zn .

- Pour pouvoir comparer les couples Ox / Red, on choisit arbitrairement un couple de référence dont le potentiel est pris arbitrairement égal à zéro.

- Le couple de référence est le couple H+ / H2.

- La demi-pile à hydrogène :

- La solution ionique est constituée par une solution aqueuse d'acide chlorhydrique dont le pH = 0.

- [H+] = 1,0 mol / L

- La pression du dihydrogène est égale à 1013 hPa.

- On dit que la demi-pile à hydrogène est dans les conditions standard.

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2)- Électrode standard à hydrogène : E.S.H.

Si l'électrode de platine plonge dans une solution acide de pH = 0,0

et que la pression en dihydrogène

P ( H2) = 1013 hPa,

la demi-pile à hydrogène est dite standard.

Par convention, on écrit :

E0(H+ / H2) = 0,00 V

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3)- Définition du potentiel d'oxydoréduction d'un couple Ox / Red.

- Considérons le couple suivant :

Mn+ / M

- Par définition le potentiel d'oxydoréduction standard est donné par la relation suivante :

- E0(H+ / H2) = 0,00 V 

- E0(Mn+ / M)  = (VMVE.S.H) I = 0 

- Pour mesurer ce potentiel d'oxydoréduction, il faut réaliser la pile constituée par les deux demi-piles :

- Mn+ / M et H+ / H2 et mesurer la f.e.m de cette pile.

- Exemple : considérons la pile constituée par les demi-piles suivantes : Cu2+ / Cu et H+ / H2 .

- Dans les conditions standard :

- [H+] = 1,0 mol / L

- P ( H2) = 1013 hPa,

- [Cu2+] = 1,0 mol / L 

En conséquence :

E0(Cu2+ / Cu) = 0,34 V 

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4)- Détermination pratique d'un potentiel d'oxydoréduction.

- Exercice : on associe une demi-pile standard au fer à une demi-pile standard au cuivre. La force électromotrice de la pile est égaler à :

- eFe-Cu = VCuVFe ≈ 0,78 V

- En déduire la valeur du potentiel d'oxydoréduction standard du couple Fe2+ / Fe  sachant que E0(Cu2+ / Cu) = 0,34 V.

- Par définition :

- E0(Fe2+ / Fe)  = (VFeVE.S.H) I = 0 

- E0(Fe2+ / Fe)  = (VFeVCu) I = 0  + (VCuVE.S.H) I = 0

- E0(Fe2+ / Fe)  = - eFe-Cu   + E0(Cu2+ / Cu)

- E0(Fe2+ / Fe)  = - 0,78   + 0,34

- E0(Fe2+ / Fe)  = 0,44 V

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IV- Utilisation des potentiels d'oxydoréduction.

- Plus E0(Mn+ / M) est grand est plus les cations Mn+ sont oxydants.

- Plus E0(Mn+ / M) est faible est plus le métal M est réducteur.

- Entre deux couples oxydant / réducteur, la seule réaction naturelle est celle de l'oxydant du couple de plus haut potentiel avec le réducteur du couple de plus bas potentiel.

- Le pôle plus de la pile est constitué par l'électrode du couple de plus haut potentiel.

- Le pôle moins de la pile est constitué par l'électrode du couple de plus bas potentiel.

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V- Applications.

Exercices 7, 10, 11, 15 pages 85 - 86.

 

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