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Chimie · Oxydoréduction

Oxydoréduction

Une réaction redox est un transfert d'électrons : l'oxydant les capte (il est réduit), le réducteur les cède (il est oxydé). On repère les échanges par le nombre d'oxydation, on calcule les potentiels d'électrode par la relation de Nernst, et on exploite tout cela dans les piles, les titrages redox et les courbes intensité-potentiel (corrosion, surtension).

Sommaire du chapitre
📌 Fiche mémo — Oxydoréduction
Nombre d'oxydationcorps simple = 0 ; ion monoatomique = sa charge ; O = \(-\text{II}\), H = \(+\text I\) ; somme (×indices) = charge de l'édifice
Oxydation / réductionoxydation = perte d'électrons = n.o. augmente ; réduction = gain d'électrons = n.o. diminue
Relation de Nernst\(E=E^0+\dfrac{0{,}06}{n}\log\dfrac{[\text{Ox}]}{[\text{Red}]}\) (25°C)
Pilecathode = plus haut potentiel (réduction, +) ; \(U=E_+-E_-=E_{cathode}-E_{anode}\)
Charge débitée\(Q=I\Delta t=n\xi F\) (\(F=96485\)C/mol)
Travail électrique\(\mathcal E=-UI\Delta t=-UQ\) (négatif : la pile fournit de l'énergie)
Référence ESH\(E^0(\text H^+/\text H_2)=0{,}000\)V par définition
Sens spontanél'oxydant du couple de plus haut potentiel réagit avec le réducteur du couple de plus bas potentiel
Constante d'équilibre redox\(\log K=\dfrac{n(E_1^0-E_2^0)}{0{,}06}\)
Équivalence de titrage redox\(\dfrac{C_{ox}V_{ox}}{\nu_{ox}}=\dfrac{C_{red}V_{red}}{\nu_{red}}\) ; à demi-équivalence, \(E=E^0\) du couple
Courbes intensité-potentieloxydation → \(i_a>0\), réduction → \(i_c<0\) ; corrosion : \(i_a=-i_c\) au potentiel de corrosion
Équilibrer une demi-équation (milieu acide)élément redox → oxygène avec \(\text H_2\text O\) → hydrogène avec \(\text H^+\) → charge avec \(e^-\)
Règle du « gamma »calculer les deux potentiels de Nernst, faire réagir l'oxydant du plus haut avec le réducteur du plus bas

1. Résumé de cours détaillé

1.1 Nombre d'oxydation (n.o.)

Règles Charge fictive d'un atome si toutes les liaisons étaient ioniques. \(\text{n.o.}\) d'un corps simple = 0 ; d'un ion monoatomique = sa charge ; O = \(-\text{II}\) (sauf peroxydes \(-\text I\)) ; H = \(+\text I\) ; alcalins \(+\text I\), alcalino-terreux \(+\text{II}\). La somme des n.o. (×indices) = charge de l'édifice.
Oxydation / réduction Oxydation = perte d'électrons = n.o. augmente ; réduction = gain d'électrons = n.o. diminue. Le nombre d'électrons d'une demi-équation = \(|\Delta\text{n.o.}|\) (×coefficient stœchiométrique).

1.2 Demi-équations et équilibrage

Équilibrer une demi-équation (milieu acide) \(\text{Ox}+n\,e^-=\text{Red}\). On équilibre : (1) l'élément redox, (2) l'oxygène avec \(\text H_2\text O\), (3) l'hydrogène avec \(\text H^+\), (4) la charge avec les \(e^-\). Pour l'équation-bilan : combiner deux demi-équations en éliminant les \(e^-\) (multiplier pour égaler le nombre d'électrons).

1.3 Relation de Nernst

Potentiel d'électrode \[E=E^0+\frac{RT}{nF}\ln\frac{[\text{Ox}]}{[\text{Red}]}=\boxed{\,E^0+\frac{0{,}06}{n}\log\frac{[\text{Ox}]}{[\text{Red}]}\,}\ (25\,°\text C)\] Le facteur \(0{,}06\) vient de \(\frac{RT\ln 10}{F}=\frac{8{,}314\times298\times2{,}30}{96485}\approx0{,}059\) V. Solides et solvant comptent pour 1 ; les gaz interviennent par leur pression ; \([\text H^+]\) figure dans le log des couples en milieu acide (dépendance en pH : \(E=E^0-0{,}06\,\text{pH}\times\frac{\text{coeff }H^+}{n}+\dots\)).

1.4 Piles

Anode, cathode, f.é.m. Deux demi-piles reliées par un pont salin. L'électrode de plus haut potentiel est la cathode (réduction, pôle +) ; l'autre est l'anode (oxydation, pôle −). Tension à vide : \[U=E_+-E_-=E_{cathode}-E_{anode}>0.\] Le courant conventionnel sort par le +, les électrons circulent de l'anode vers la cathode dans le circuit.
Charge débitée et durée \[Q=I\,\Delta t=n\,\xi\,F\quad(F=96485\ \text{C/mol})\] où \(n\) = électrons échangés et \(\xi\) = avancement (mol) au réactif limitant. D'où \(\Delta t=\frac{n\xi F}{I}\).

1.5 Travail électrique

Énergie fournie \[\mathcal E=-U\,I\,\Delta t=-U\,Q=-U\,n\,\xi\,F\] Négative car la pile fournit de l'énergie à l'extérieur. L'ampère-heure est une unité de charge : \(1\ \text{A·h}=3600\) C ; l'énergie stockée vaut \(\mathcal E=U\times Q\).

1.6 Électrodes de référence

Référence des potentiels L'électrode standard/normale à hydrogène (ESH/ENH) : couple \(\text H^+/\text H_2\), \(E^0=0{,}000\) V par définition (\([\text H^+]=1\) mol/L, \(P_{\text H_2}=1\) bar). Électrodes secondaires : calomel saturé (ECS) \(0{,}24\) V/ENH (couple \(\text{Hg}_2\text{Cl}_2/\text{Hg}\)), chlorure d'argent \(0{,}197\) V/ENH. Changer de référence = ajouter/retrancher l'écart de potentiel.

1.7 Sens spontané d'une réaction

Règle du « gamma » On calcule les deux potentiels de Nernst. L'oxydant du couple de plus haut potentiel réagit avec le réducteur du couple de plus bas potentiel. Équivalent : la réaction est spontanée si \(E_{ox}>E_{red}\). Constante d'équilibre : à l'égalité des potentiels, \[\log K=\frac{n(E_1^0-E_2^0)}{0{,}06}.\] Une réaction de titrage doit avoir \(K\gg1\) (souvent \(>10^4\)) pour être quasi-totale.

1.8 Titrages redox

Équivalence On applique l'égalité des quantités de matière corrigée de la stœchiométrie : \(\frac{C_{ox}V_{ox}}{\nu_{ox}}=\frac{C_{red}V_{red}}{\nu_{red}}\). Repérage : indicateur redox, ou coloration propre (ex. \(\text{MnO}_4^-\) violet en excès, amidon+diiode bleu). À la demi-équivalence d'un couple, le potentiel vaut le \(E^0\) de ce couple.

1.9 Courbes intensité-potentiel

Cinétique électrochimique La courbe \(i=f(E)\) donne le courant échangé selon le potentiel imposé. Une oxydation donne un courant anodique \(i_a>0\), une réduction un courant cathodique \(i_c<0\). En corrosion (une seule pièce, pas de séparation en demi-piles) : \(i_a=-i_c\) (les électrons cédés sont captés ailleurs), le système se cale au potentiel de corrosion (intersection). Une surtension (décalage cinétique d'un couple, ex. \(\text H^+/\text H_2\) sur zinc) peut empêcher une réaction pourtant thermodynamiquement possible.

2. Exercices d'entraînement (créés) avec corrections

Trois exercices originaux : potentiel de Nernst, f.é.m. d'une pile, et constante d'équilibre d'une réaction redox.

✏️ Exercice A — Potentiel d'une électrode d'argent ♦◊◊

Lame d'argent dans \([\text{Ag}^+]=5{,}0\cdot10^{-3}\) mol/L. \(E^0(\text{Ag}^+/\text{Ag})=0{,}80\) V. Calculer \(E\).

\(\text{Ag}^++e^-=\text{Ag}\) (\(n=1\), argent solide absent du log) : \(E=0{,}80+\frac{0{,}06}{1}\log(5\cdot10^{-3})=0{,}80+0{,}06\times(-2{,}30)=0{,}80-0{,}14\).

\(E=0{,}66\) V. (Diluer abaisse le potentiel de l'oxydant, logiquement.)
✏️ Exercice B — f.é.m. d'une pile Zn / Ag ♦♦◊

Demi-pile \(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}\) (\([\text{Zn}^{2+}]=0{,}10\), \(E^0=-0{,}76\)) et \(\text{Ag}^+/\text{Ag}\) (\([\text{Ag}^+]=0{,}10\), \(E^0=0{,}80\)).

\(E_{Zn}=-0{,}76+\frac{0{,}06}{2}\log(0{,}10)=-0{,}76-0{,}03=-0{,}79\) V. \(E_{Ag}=0{,}80+0{,}06\log(0{,}10)=0{,}80-0{,}06=0{,}74\) V.

Argent = potentiel le plus haut → cathode (+). \(U=E_+-E_-=0{,}74-(-0{,}79)=1{,}53\) V.

\(U\approx1{,}5\) V ; réaction spontanée \(2\text{Ag}^++\text{Zn}\to\text{Zn}^{2+}+2\text{Ag}\).
✏️ Exercice C — Constante d'équilibre d'une réaction redox ♦♦◊

Réaction \(2\text{Fe}^{3+}+2\text I^-=2\text{Fe}^{2+}+\text I_2\). Couples \(\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}\) (\(E^0=0{,}77\)) et \(\text I_2/\text I^-\) (\(E^0=0{,}62\)). Calculer \(K\).

Électrons échangés \(n=2\). À l'équilibre les potentiels s'égalisent : \(\log K=\frac{n(E_1^0-E_2^0)}{0{,}06}=\frac{2\,(0{,}77-0{,}62)}{0{,}06}=\frac{0{,}30}{0{,}06}=5\).

\(K=10^{5}\gg10^{4}\) : réaction quasi-totale dans le sens direct (le Fe³⁺ oxyde bien les iodures).

3. Correction intégrale du TD

TD chimie 1 — Oxydoréduction (VG, 2025/2026) : 32 exercices, chaque question traitée. Constantes : \(F=96485\) C/mol, facteur de Nernst \(0{,}06\) V. Potentiels standards : voir la table.

Partie A — Pour commencer

Exercice 1 — Nombre d'oxydation ♦◊◊

1) \(\text{Li}^+\) : +I ; \(\text{Fe}\) : 0 ; \(\text{Fe}^{3+}\) : +III ; \(\text S^{2-}\) : −II.

2) \(\text{MnO}_2\) : +IV ; \(\text{Fe}_2\text O_3\) : +III ; \(\text H_2\text O_2\) : −I ; \(\text{HNO}_3\) : +V ; \(\text{HNO}_2\) : +III ; \(\text H_2\text{CO}_3\) : +IV ; \(\text{HClO}_4\) : +VII ; \(\text{Fe(OH)}_2\) : +II.

3) \(\text{MnO}_4^-\) : +VII ; \(\text{MnO}_4^{2-}\) : +VI ; \(\text{SO}_4^{2-}\) : +VI ; \(\text{Fe(OH)}_2^+\) : +III.

4) \(\text{Na}_3\text{PO}_4\) (P) : +V ; \(\text{CaCl}_2\) (Cl) : −I.

5) \(\text{NH}_4\text{NO}_3\) : deux n.o. différents ! N de \(\text{NH}_4^+\) : −III, N de \(\text{NO}_3^-\) : +V. \((\text{NH}_4)_3\text{PO}_4\) (P) : +V.

Exercice 2 — Demi-équations et bilans ♦♦◊

1) Demi-équations (milieu acide, vérifier \(n=|\Delta\text{n.o.}|\))

\(\text{Fe(OH)}_2+2\text H^++2e^-=\text{Fe}+2\text H_2\text O\) ; \(\text{MnO}_4^-+8\text H^++5e^-=\text{Mn}^{2+}+4\text H_2\text O\) ; \(2\text{ClO}^-+4\text H^++2e^-=\text{Cl}_2+2\text H_2\text O\) ; \(\text{Cl}_2+2e^-=2\text{Cl}^-\) ; \(\text H_2\text O_2+2\text H^++2e^-=2\text H_2\text O\) ; \(\text H_2\text O_2=\text O_2+2\text H^++2e^-\).

2) Équations-bilans

a) \(5\text{Fe}+2\text{MnO}_4^-+2\text H_2\text O+6\text H^+\to5\text{Fe(OH)}_2+2\text{Mn}^{2+}\) (×5 et ×2, élimination des \(e^-\)).
b) \(2\text{MnO}_4^-+5\text H_2\text O_2+6\text H^+\to2\text{Mn}^{2+}+5\text O_2+8\text H_2\text O\).
c) \(\text{Cl}^-+\text{ClO}^-+2\text H^+\to\text{Cl}_2+\text H_2\text O\) (dismutation inverse).

Exercice 3 — Le facteur 0,06 V ♦◊◊

\(E=E^0+\frac{RT}{nF}\ln\frac{[\text{Ox}]}{[\text{Red}]}\) avec \(\ln=2{,}30\log\) :

\(\frac{RT\ln 10}{F}=\frac{8{,}314\times298\times2{,}30}{96485}=0{,}059\approx0{,}06\) V, d'où \(E=E^0+\frac{0{,}06}{n}\log\frac{[\text{Ox}]}{[\text{Red}]}\). Le \(0{,}06\) est en volts.

Exercice 4 — Potentiel et pH ♦♦◊

1–3) Couple \(\text H^+/\text H_2\)

\(2\text H^++2e^-=\text H_2\), \(E=0+\frac{0{,}06}{2}\log\frac{[\text H^+]^2}{P_{\text H_2}}\). Avec \(P_{\text H_2}=1\) : \(E=0{,}06\log[\text H^+]=-0{,}06\,\text{pH}\). Droite de pente \(-0{,}06\) passant par l'origine.

4) Couple \(\text O_2/\text H_2\text O\) (\(E^0=1{,}36\))

\(2\text H_2\text O=\text O_2+4\text H^++4e^-\), \(E=1{,}36+\frac{0{,}06}{4}\log[\text H^+]^4=1{,}36-0{,}06\,\text{pH}\) (droite de pente \(-0{,}06\), ordonnée à l'origine \(1{,}36\)).

5) Couple \(\text I_2/\text I^-\) (\(E^0=0{,}62\))

\(\text I_2+2e^-=2\text I^-\), \(E=0{,}62+0{,}03\log\frac{[\text I_2]}{[\text I^-]^2}\) : indépendant du pH (pas de \(\text H^+\)).

Partie B — Piles

Exercice 5 — Nernst et incertitude ♦♦◊

Cuivre dans \([\text{Cu}^{2+}]=0{,}010\), \(E^0=0{,}34\).

\(E=0{,}34+\frac{0{,}06}{2}\log(0{,}01)=0{,}34-0{,}06=0{,}28\) V.

Incertitude 5 % sur \(C\) : \(E_\pm=0{,}34+0{,}03\log(0{,}01\times1{,}05\text{ ou }0{,}95)=0{,}281/0{,}279\) V, soit \(\varepsilon\approx0{,}36\%\) seulement (l'erreur est « amortie » par le log).

\(E=0{,}28\) V ; \(E=f(\log[\text{Cu}^{2+}])\) est une droite de pente \(0{,}03\) V/décade.
Exercice 6 — Pile argent / fer ♦♦◊

\(E_{Fe}=-0{,}44+\frac{0{,}06}{2}\log(0{,}2)=-0{,}46\) V ; \(E_{Ag}=0{,}80+0{,}06\log(0{,}05)=0{,}72\) V. Ag = cathode. \(U=0{,}72-(-0{,}46)=1{,}18\) V.

3) Dilution ×2 de \(\text{Ag}^+\) : \(E_{Ag}=0{,}80+0{,}06\log(0{,}025)=0{,}70\Rightarrow U=1{,}16\) V (peu de changement, effet log). 4) Précipitation AgI (\([\text{Ag}^+]=10^{-14}\)) : \(E_{Ag}=0{,}80+0{,}06\log(10^{-14})=-0{,}04\Rightarrow U=0{,}40\) V (grand changement).

Exercice 7 — Pile Daniell ♦♦◊

\(E_{Cu}=0{,}34+0{,}03\log c\), \(E_{Zn}=-0{,}76+0{,}03\log c\). Cu = cathode. \(U=E_+-E_-=0{,}34-(-0{,}76)=1{,}1\) V, indépendant de \(c\) (concentrations égales).

2) Pour \(U=0\) avec \([\text{Zn}^{2+}]=1\) : \(-0{,}76-0{,}34=0{,}03\log c\Rightarrow\log c=-\frac{110}{3}\), \(c\approx2{,}2\cdot10^{-37}\) mol/L — impossible (moins d'un atome par litre !). La tension ne peut donc pas s'annuler.

Exercice 8 & 9 — Pile de concentration ; cuivre/plomb ♦♦◊

Ex 8 — Pile de concentration (cuivre)

Même couple des deux côtés. Demi-pile 1 : \(c=1\Rightarrow E=0{,}34\) V. Demi-pile 2 : \(c=\frac{(1/20)\cdot10^{-3}\times1}{0{,}1}=5\cdot10^{-4}\Rightarrow E=0{,}24\) V. \(U=0{,}10\) V (la pile fonctionne par différence de concentration).

Ex 9 — Cuivre / plomb

\(E_{Cu}=0{,}34\), \(E_{Pb}=-0{,}13\) V. Cathode = cuivre (réduction \(\text{Cu}^{2+}+2e^-\to\text{Cu}\)), anode = plomb. Bilan \(\text{Cu}^{2+}+\text{Pb}\to\text{Pb}^{2+}+\text{Cu}\). \(E^0_{pile}=0{,}34-(-0{,}13)=0{,}47\) V. Trop faible pour remplacer une pile sèche (1,0–1,5 V). Ajout de \(\text H_2\text{SO}_4\) (PbSO₄ précipite, \([\text{Pb}^{2+}]\downarrow\)) : \(E_{Pb}\downarrow\) donc \(U\uparrow\).

Partie C — Bilan chimique

Exercice 10 — Pile Leclanché ♦♦◊

Couples \(\text{MnO}_2/\text{MnO(OH)}\) et \(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}\). Demi-équations \(\text{MnO}_2+\text H^++e^-=\text{MnO(OH)}\), \(\text{Zn}^{2+}+2e^-=\text{Zn}\). n.o. : Mn +IV→+III, Zn +II→0. Réactifs neufs : Zn + \(\text{MnO}_2\). Bilan \(\text{Zn}+2\text{MnO}_2+2\text H^+\to2\text{MnO(OH)}+\text{Zn}^{2+}\).

Épuisement simultané : \(n_{\text{MnO}_2}=2n_{\text{Zn}}\), d'où \(m_{\text{MnO}_2}=2\frac{M_{\text{MnO}_2}}{M_{\text{Zn}}}m_{\text{Zn}}=2\times\frac{86{,}94}{65{,}4}\times19{,}6=52{,}1\) g.

Exercice 11 — Accumulateur au plomb ♦♦◊

n.o. du plomb : Pb 0, PbSO₄ +II, PbO₂ +IV. Couples \((\text{Pb}/\text{PbSO}_4)\) et \((\text{PbSO}_4/\text{PbO}_2)\). Demi-équations : \(\text{Pb}+\text{SO}_4^{2-}=\text{PbSO}_4+2e^-\) et \(\text{PbO}_2+\text{SO}_4^{2-}+4\text H^++2e^-=\text{PbSO}_4+2\text H_2\text O\). Bilan (décharge) : \(\text{Pb}+\text{PbO}_2+2\text H_2\text{SO}_4\to2\text{PbSO}_4+2\text H_2\text O\).

Les véhicules électriques utilisent le lithium car le plomb (M = 207 g/mol) rendrait les batteries beaucoup trop lourdes.
Exercice 12 — Durée d'une pile Daniell ♦♦◊

Réaction \(\text{Cu}^{2+}+\text{Zn}\to\text{Zn}^{2+}+\text{Cu}\) (Cu = cathode). \(\xi=0{,}10\) mol (limitant), \(n=2\), \(I=0{,}450\) A : \(\Delta t=\frac{n\xi F}{I}=\frac{2\times0{,}1\times96485}{0{,}45}=42\,882\) s (≈ 12 h).

(4) Moitié de \(\text{ZnSO}_4\) : rien ne change (c'est un produit). (5) Moitié de \(\text{CuSO}_4\) : durée divisée par 2 (\(\text{Cu}^{2+}\) devient limitant).

Exercice 13 — Courant de corrosion ♦◊◊

Rouille = fer(III), \(\text{Fe}\to\text{Fe}^{3+}+3e^-\) (\(n=3\)), \(\xi=1\) mol en 1000 jours :

\(I=\frac{n\xi F}{\Delta t}=\frac{3\times1\times96485}{1000\times24\times3600}=3{,}4\) mA.

Partie D — Travail électrique

Exercice 14 — Travail d'une pile Daniell ♦♦◊

\(n_{Cu}=\frac{1}{63{,}55}=1{,}6\cdot10^{-2}\), \(n_{Zn}=\frac{1}{65{,}38}=1{,}5\cdot10^{-2}\) mol → Zn limitant, \(\xi=1{,}5\cdot10^{-2}\). \(U\approx1{,}1\) V. \(\mathcal E=-U\,n\,\xi\,F=-1{,}1\times2\times1{,}5\cdot10^{-2}\times96485=-3184\) J (fourni).

(2) Sans cuivre : inchangé (produit). (3) Sans zinc : rien ne se passe (pas de réducteur).

Exercice 15 & 16 — Ampère-heure ; tension des piles ♦♦◊

Ex 15 — Batterie vélo 48 V, 30 A·h, 1000 W

A·h = charge (1 A·h = 3600 C). \(\mathcal E=U\,Q=48\times30\times3600=5{,}2\cdot10^{6}\) J. Dénivelé (100 kg) : \(h=\frac{\mathcal E}{mg}=5{,}2\cdot10^{3}\) m (frottements négligés !). À 1000 W : \(\Delta t=\frac{\mathcal E}{P}=5{,}2\cdot10^{3}\) s ≈ 1,4 h. Câblage : ≈ 3 rangées de 13 piles en parallèle (parallèle = capacité, série = tension).

Ex 16 — Piles du commerce

Même couple redox (même \(U\)), quantités de matière différentes (durée de vie). Pile 9 V = 6 piles de 1,5 V en série ; pile plate 4,5 V = 3 piles en série.

Exercice 17 — Lithium vs nucléaire ♦◊◊

\(\mathcal E=U\,n\,\xi\,F=2{,}9\cdot10^{9}\) J avec \(U=3{,}5\), \(n=1\) : \(\xi=\frac{2{,}9\cdot10^{9}}{3{,}5\times96485}=8588\) mol, \(m=\xi M=7\times8588\approx60\) kg.

Il faut ≈ 60 kg de lithium pour égaler l'énergie de 1 g d'uranium enrichi.

Partie E — Électrodes de référence

Exercices 18, 19, 20 — Références et électrodes ♦♦◊

Ex 18 — Changement de référence (ECS = 0,24 V/ENH)

Référence = ESH, \(E^0=0{,}000\) V. \(0{,}83\) V/ECS → \(0{,}83+0{,}24=1{,}07\) V/ESH. \(-0{,}34\) V/ECS → \(-0{,}34+0{,}24=-0{,}10\) V/ESH. ECS mesurée par l'électrode AgCl (\(0{,}197\) V/ENH) : \(0{,}24-0{,}197=0{,}043\) V/(AgCl).

Ex 19 — Électrode à hydrogène

\(2\text H^++2e^-=\text H_2\), \(E=0{,}03\log\frac{[\text H^+]^2}{P_{\text H_2}}\). Pour \(E=0\) : \([\text H^+]=1\) mol/L et \(P_{\text H_2}=1\) bar (conditions standard).

Ex 20 — Calomel saturé (ECS)

Couple \(\text{Hg}_2\text{Cl}_2/\text{Hg}\) (Hg : +I dans Hg₂Cl₂, 0 dans Hg). \(2\text{Hg}+2\text{Cl}^-=\text{Hg}_2\text{Cl}_2+2e^-\), \(E=E^0-0{,}06\log[\text{Cl}^-]\) (solide et liquide purs = 1) : potentiel fixé par \([\text{Cl}^-]\) (saturé → constant).

Partie F — Sens de réaction

Exercice 21 — Sens spontané ♦♦◊

Règle : oxydant du plus haut potentiel + réducteur du plus bas. À 0,01 mol/L de chaque forme :

1) \(E(\text I_2/\text I^-)=0{,}62+0{,}03\log\frac{0{,}01}{0{,}01^2}=0{,}68\) > \(E(\text S_4\text O_6^{2-}/\text S_2\text O_3^{2-})=0{,}14\) : réaction \(\text I_2+2\text S_2\text O_3^{2-}\to2\text I^-+\text S_4\text O_6^{2-}\), sens correct.

2) \(E(\text{Ag}^+/\text{Ag})=0{,}68\) > \(E(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu})=0{,}28\) : \(2\text{Ag}^++\text{Cu}\to2\text{Ag}+\text{Cu}^{2+}\), sens correct.

3) À pH 3 : \(E(\text{Cr}_2\text O_7^{2-}/\text{Cr}^{3+})\approx0{,}93\) > \(E(\text{CH}_3\text{CHO}/\text{éthanol})\approx0{,}01\) : \(\text{Cr}_2\text O_7^{2-}+3\,\text{éthanol}+8\text H^+\to3\,\text{CH}_3\text{CHO}+2\text{Cr}^{3+}+7\text H_2\text O\), sens correct.

Exercice 22 — Pile fer / argent (fonctionnement) ♦♦◊

\(E_{Fe}=-0{,}44+0{,}03\log(0{,}1)=-0{,}47\), \(E_{Ag}=0{,}80+0{,}06\log(1)=0{,}80\) V. \(U=0{,}80-(-0{,}47)=1{,}27\) V. Sens spontané \(2\text{Ag}^++\text{Fe}\to\text{Fe}^{2+}+2\text{Ag}\). Argent = cathode (+), fer = anode (−) ; les électrons vont du fer vers l'argent.

Durée (0,20 mol Fe et 0,20 mol Ag⁺ ; Ag⁺ limitant, \(n=1\)) : \(\Delta t=\frac{1\times0{,}2\times96485}{1{,}5}=12865\) s ≈ 3 h 34 min. On ne précise pas Fe³⁺/Ag car ce sont les produits. À l'équilibre : 0 mol Ag⁺, 0,1 mol Fe restant, 0,1 mol Fe²⁺ et 0,2 mol Ag formés.

Partie G — Titrages directs

Exercice 23 — Titrage du diiode par le thiosulfate ♦♦♦

\(\text I_2+2\text S_2\text O_3^{2-}\to2\text I^-+\text S_4\text O_6^{2-}\). Égalité des potentiels au cours du titrage (réaction totale) → \(\log K=\frac{E^0_{\text I}-E^0_{\text{SO}}}{0{,}06}=\frac{0{,}62-0{,}08}{0{,}06}\times n\Rightarrow K\approx10^{18}\). \(K\gg10^4\) : excellente réaction de titrage.

Stœchiométrie 1:2 : \(C_{\text I_2}V_i=\frac12 C_{\text{thio}}V_{eq}\Rightarrow C=\frac{0{,}05\times14{,}8}{2\times5}=7{,}4\cdot10^{-2}\) mol/L.

Exercice 24 — Titrage de l'ammoniac par le bromate ♦♦♦

Demi-équations \(\text{BrO}_3^-+6\text H^++6e^-=\text{Br}^-+3\text H_2\text O\) et \(2\text{NH}_3=\text N_2+6\text H^++6e^-\), bilan \(\text{BrO}_3^-+2\text{NH}_3\to\text{Br}^-+3\text H_2\text O+\text N_2\). Sens standard correct (\(E^0_{\text{BrO}_3}=0{,}58>E^0_{\text{NH}_3}=-0{,}09\)).

Stœchiométrie 1:2 : \(C=\frac{2C_{br}V_{eq}}{V_i}=\frac{2\times0{,}1\times17{,}3}{20}=0{,}173\) mol/L.

Indicateur : à la demi-équivalence \(E=E^0_{\text{NH}_3}=-0{,}09\) V ; à la double équivalence \(E=E^0_{\text{BrO}_3}=0{,}68\) V. Aucun indicateur ne vire entre les deux. Alternative : titrer \(\text{NH}_3\) (base) par un acide fort.

Exercice 25 & 26 — Arsenic ; étalonnage du permanganate ♦♦♦

Ex 25 — Acide arsénieux par le diiode

\(\text I_2+\text H_3\text{AsO}_3+\text H_2\text O\to\text H_3\text{AsO}_4+2\text H^++2\text I^-\) (stœchiométrie 1:1) : \(C=\frac{0{,}05\times9{,}35}{10}=4{,}68\cdot10^{-2}\) mol/L. L'amidon vire au violet dès qu'il y a du \(\text I_2\) en excès (après équivalence).

Ex 26 — Étalonnage MnO₄⁻ par l'acide oxalique

\(5\text H_2\text C_2\text O_4+2\text{MnO}_4^-+6\text H^+\to10\text{CO}_2+2\text{Mn}^{2+}+8\text H_2\text O\). Étalon : \(C_{ox}=\frac{1{,}28/126{,}065}{0{,}5}=0{,}0203\) mol/L. Stœchiométrie 5:2 : \(C_{per}=\frac{2C_{ox}V_i}{5V_{eq}}=\frac{2\times0{,}0203\times20}{5\times14{,}7}=0{,}011\) mol/L. La solution rosit quand \(\text{MnO}_4^-\) est en excès. \(\log K=\frac{10(1{,}51-(-0{,}49))}{0{,}06}\Rightarrow K\approx10^{333}\) (immense).

Exercice 27 — Iodométrie (potentiel au cours du dosage) ♦♦♦

\(\text I_2+2\text S_2\text O_3^{2-}\to2\text I^-+\text S_4\text O_6^{2-}\). Équivalence (1:2) : \(C_2=\frac{C_1V_{eq}}{2V_2}=\frac{0{,}10\times12}{2\times10}=0{,}06\) mol/L.

Avant l'équivalence, le potentiel est fixé par le couple \(\text I_2/\text I^-\). Pour \(V_1=6\) mL, tableau d'avancement (\(\xi=\frac{C_1V_1}{2}=3\cdot10^{-4}\)) : \([\text I_2]=1{,}88\cdot10^{-2}\), \([\text I^-]=3{,}76\cdot10^{-2}\) mol/L (\(V_f=16\) mL), d'où \(E=0{,}54+0{,}03\log\frac{[\text I_2]}{[\text I^-]^2}=0{,}57\) V. Pour \(V_1=9\) mL : \(E\approx0{,}56\) V.

Exercice 28 — Analyse d'un effluent gazeux (SO₂) ♦♦♦

\(2\text{MnO}_4^-+5\text{SO}_2+2\text H_2\text O\to2\text{Mn}^{2+}+5\text{SO}_4^{2-}+4\text H^+\). Stœchiométrie 2:5 : \(C_{\text{SO}_2}=\frac{5C_{Mn}V_{eq}}{2V_S}=\frac{5\times10^{-3}\times18{,}8\cdot10^{-3}}{2\times0{,}25} =1{,}88\cdot10^{-4}\) mol/L.

Masse dans 10 m³ : \(n=1{,}88\cdot10^{-4}\times0{,}250=4{,}7\cdot10^{-5}\) mol, soit \(4{,}7\cdot10^{-6}\) mol/m³ → \(m=3\) mg/m³. \(3\) mg \(\ll50\) g/m³ (norme OMS) : pas d'épuration nécessaire.

Pour \(V=30\) mL (après équivalence, pH = 1) : le potentiel est celui de \(\text{MnO}_4^-/\text{Mn}^{2+}\). Tableau d'avancement puis \(E=1{,}51+\frac{0{,}06}{5}\log\frac{[\text{MnO}_4^-][\text H^+]^8}{[\text{Mn}^{2+}]} =1{,}41\) V.

Partie H — Courbes intensité-potentiel

Exercice 29 — Courbe i-E d'une pile ♦♦♦

Couples \(\text{MnO}_2/\text{MnO(OH)}\) et \(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}\). À concentrations 1 mol/L, \(E=E^0\). Réaction : \(2\text{MnO}_2+2\text H^++\text{Zn}\to\text{Zn}^{2+}+2\text{MnO(OH)}\), délivrant 1,5 V.

Lecture graphique : (a) les potentiels tracés = les \(E^0\) (car \(E=E^0\)). (b) à \(I=0{,}2\) A, \(U\approx0{,}4-(-0{,}4)=0{,}8\) V. (c) pour \(U=1{,}3\) V (symétrique) : \(I\approx0{,}05\) A. (d) \(R=\frac{U}{I}=\frac{1{,}3}{0{,}05}=26\ \Omega\).

Exercice 30 — Corrosion des métaux ♦♦♦

À pH 2, \([\text{Fe}^{2+}]=10^{-3}\) : \(E_{Fe}=-0{,}44+0{,}03\log(10^{-3})=-0{,}35\), \(E_{\text H^+/\text H_2}=0+0{,}03\log(10^{-4})=-0{,}12\) V. Comme \(E_{\text H^+}>E_{Fe}\) : réaction \(2\text H^++\text{Fe}\to\text{Fe}^{2+}+\text H_2\), le fer se corrode. Les courbes i-E se croisent (courant de corrosion, \(i_a=-i_c\)).

Cuivre : \(E_{Cu}=0{,}34+0{,}03\log(10^{-3})=0{,}25\) V \(>E_{\text H^+}\) : pas de corrosion par \(\text H^+\). Mais avec l'acide nitrique (\([\text{NO}_3^-]=5\), \([\text{NO}]=0{,}1\)) : \(E_{\text{NO}_3^-/\text{NO}}=0{,}96+\frac{0{,}06}{3}\log\frac{[\text H^+]^4[\text{NO}_3^-]}{[\text{NO}]}=0{,}83>0{,}25\) → \(3\text{Cu}+2\text{NO}_3^-+8\text H^+\to3\text{Cu}^{2+}+2\text{NO}+4\text H_2\text O\) : le cuivre est corrodé par l'acide nitrique.

Exercice 31 & 32 — Attaque acide ; surtension sur Zn ♦♦♦

Ex 31 — Magnésium en milieu acide (pH 0)

\(\text{Mg}+2\text H^+\to\text{Mg}^{2+}+\text H_2\). n.o. : Mg 0→+II, H +I→0. Ce n'est pas une pile car les réactifs sont en contact (pas de séparation en demi-piles). \(E_{eq2}=-2{,}36+0{,}03\log(0{,}1)=-2{,}39\) V. \(i_a\) = courant anodique (oxydation du Mg), \(i_c\) = cathodique (réduction de \(\text H^+\)) ; \(i_a=-i_c\) (les électrons cédés sont captés). \(E_m\) = potentiel de corrosion (celui mesuré dans le bécher).

Ex 32 — Zinc et HCl (surtension)

\([\text{Zn}^{2+}]<1\Rightarrow E_{Zn}<-0{,}76\) ; \(P_{\text H_2}<1\), \([\text H^+]>10^{-3}\Rightarrow E_{\text H^+}>-0{,}18\) V. Donc \(\text H^+\) est l'oxydant fort : \(\text{Zn}+2\text H^+\to\text{Zn}^{2+}+\text H_2\) (thermodynamiquement possible). En pratique le zinc n'est quasi pas attaqué : c'est dû à la grande surtension du couple \(\text H^+/\text H_2\) sur le zinc, qui bloque cinétiquement la réaction (les courbes i-E ne se recouvrent quasiment plus).

✅ TD oxydoréduction — correction complète (32 exercices) Nombre d'oxydation, demi-équations et bilans, relation de Nernst \(E=E^0+\frac{0{,}06}{n}\log\frac{[\text{Ox}]}{[\text{Red}]}\), piles (anode/cathode, \(U=E_+-E_-\), \(Q=n\xi F\), \(\mathcal E=-U n\xi F\)), électrodes de référence (ESH/ECS/AgCl), sens spontané et constante \(\log K=\frac{n\Delta E^0}{0{,}06}\), titrages redox (stœchiométrie, potentiel au cours du dosage) et courbes intensité-potentiel (corrosion, potentiel de corrosion, surtension).

4. Table des potentiels standards (\(E^0\) / ESH, 25 °C)

Valeurs utilisées dans le TD (oxydant en haut = le plus fort). Classées par \(E^0\) décroissant.

Couple Ox / RedDemi-équation\(E^0\) (V)
MnO₄⁻ / Mn²⁺\(\text{MnO}_4^-+8\text H^++5e^-=\text{Mn}^{2+}+4\text H_2\text O\)1,51
O₂ / H₂O\(\text O_2+4\text H^++4e^-=2\text H_2\text O\)1,36
Cr₂O₇²⁻ / Cr³⁺\(\text{Cr}_2\text O_7^{2-}+14\text H^++6e^-=2\text{Cr}^{3+}+7\text H_2\text O\)1,33
NO₃⁻ / NO\(\text{NO}_3^-+4\text H^++3e^-=\text{NO}+2\text H_2\text O\)0,96
Ag⁺ / Ag\(\text{Ag}^++e^-=\text{Ag}\)0,80
Fe³⁺ / Fe²⁺\(\text{Fe}^{3+}+e^-=\text{Fe}^{2+}\)0,77
I₂ / I⁻\(\text I_2+2e^-=2\text I^-\)0,54–0,62
BrO₃⁻ / Br⁻\(\text{BrO}_3^-+6\text H^++6e^-=\text{Br}^-+3\text H_2\text O\)0,58
Cu²⁺ / Cu\(\text{Cu}^{2+}+2e^-=\text{Cu}\)0,34
CH₃CHO / éthanol\(\text{CH}_3\text{CHO}+2\text H^++2e^-=\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}\)0,19
SO₄²⁻ / SO₂\(\text{SO}_4^{2-}+4\text H^++2e^-=\text{SO}_2+2\text H_2\text O\)0,16
S₄O₆²⁻ / S₂O₃²⁻\(\text S_4\text O_6^{2-}+2e^-=2\text S_2\text O_3^{2-}\)0,08
H⁺ / H₂ (référence)\(2\text H^++2e^-=\text H_2\)0,00
NH₃ / N₂ (couple oxydant N₂)\(\text N_2+6\text H^++6e^-=2\text{NH}_3\)−0,09
Pb²⁺ / Pb\(\text{Pb}^{2+}+2e^-=\text{Pb}\)−0,13
Fe²⁺ / Fe\(\text{Fe}^{2+}+2e^-=\text{Fe}\)−0,44
CO₂ / H₂C₂O₄\(2\text{CO}_2+2\text H^++2e^-=\text H_2\text C_2\text O_4\)−0,49
Zn²⁺ / Zn\(\text{Zn}^{2+}+2e^-=\text{Zn}\)−0,76
Mg²⁺ / Mg\(\text{Mg}^{2+}+2e^-=\text{Mg}\)−2,36

Références secondaires : ECS (\(\text{Hg}_2\text{Cl}_2/\text{Hg}\)) \(0{,}24\) V/ESH ; chlorure d'argent \(0{,}197\) V/ESH.

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