Chapitre 6 : Réactions d`oxydoréduction

Chapitre 6 : Réactions d’oxydoréduction
Objectifs
L’élève doit être capable
!
!
!
!
!
de définir les réactions d’oxydation, de réduction et d’oxydoréduction,
d’identifier les réactions d’oxydation, de réduction et d’oxydoréduction,
de prédire si une réaction d’oxydation / de réduction est exo- ou endothermique,
d’établir les équations des réactions d’oxydation, de réduction et
d’oxydoréduction,
de citer les propriétés des différents corps utilisés dans les réactions.
Mots clés
!
!
!
!
!
!
!
110
oxydation
réduction
réaction d’oxydoréduction
oxydant
réducteur
réaction exothermique
réaction endothermique
Réactions
d'oxydoréduction
6.1. Réactions d’oxydation
Dans le chapitre 5, nous avons parlé des réactions de combustion. Ces réactions
font partie des réactions d’oxydation.
Exemples de réactions d’oxydation
2 Mg
magnésium
+
O2
oxydation

→
2 MgO
-Q
oxyde de
dioxygène
magnésium
Combustion du
magnésium, vue à
travers un masque
de soudure.
C
carbone
+
O2
oxydation

→
dioxygène
CO2
-Q
dioxyde de
carbone
Lors de toutes les réactions de combustion, un corps se lie à
l’oxygène : on dit que ce corps est oxydé.
Toutes les réactions de combustion / d’oxydation sont accompagnées d’un dégagement de chaleur.
Lors des réactions d’oxydation, un corps accepte de l’oxygène.
oxydation = gain d’oxygène
Les réactions d’oxydation sont des réactions exothermiques.
111
Chapitre 6 : Réactions d’oxydoréduction
6.2. Réactions de réduction
6.2.1. Thermolyse de l’oxyde de mercure(II)
Introduisons une spatule d’oxyde de mercure(II) (HgO) dans un
tube à essai. Fermons le tube à essai à l’aide d’un ballon
gonflable1. Chauffons ensuite la partie inférieure du tube à essai
au-dessus de la flamme du brûleur Bunsen.
Introduisons un tison incandescent dans le tube à essai. Le
tison recommence à brûler : lors
de la réaction, il y a production
de dioxygène. Sur les parois du
tube à essai, il y a un dépôt gris
métallique de petites gouttelettes : c’est du mercure.
Équation de la réaction
2 HgO
réduction

→
2 Hg
+
O2
oxyde de
mercure(II)
mercure
dioxygène
solide
orange
liquide
gris métallique
gaz
incolore
comburant
+ ∆Q
Lors de cette réaction, l’oxyde de mercure(II) libère de l’oxygène. On
dit que l’oxyde de mercure(II) est réduit.
La réaction de décomposition de l’oxyde de mercure(II) s’arrête dès
qu’on interrompt le chauffage : un apport d’énergie est nécessaire
pour le déroulement de cette réaction, elle est donc
endothermique2.
Lors des réactions de réduction, un corps libère de l’oxygène.
réduction = perte d’oxygène
Les réactions de réduction sont des réactions endothermiques.
1
2
On ferme le tube avec un ballon gonflable pour éviter l’échappement de gaz
toxiques.
Une réaction pendant laquelle de la chaleur est consommée est dite
endothermique. Dans les équations chimiques, un apport de chaleur est
indiqué par la notation | +∆Q derrière l’équation.
112
Chapitre 6 : Réactions d’oxydoréduction
6.3. Réactions d’oxydoréduction
6.3.1. Réaction entre l’oxyde de cuivre(II) et le dihydrogène
Introduisons de l’oxyde de cuivre(II) (CuO) dans un tube. Faisons
passer un flux d’hydrogène (H2) sur l’oxyde de cuivre(II).
Chauffons le tube avec un
brûleur Bunsen après avoir fait
le test du gaz détonnant.
Après la réaction,
des gouttes d’eau
du tube. L’oxyde
s’est transformé
métallique.
on identifie
sur la paroi
de cuivre(II)
en cuivre
Équation de la réaction
réduction
CuO
+
H2
oxydant
réducteur
oxyde de
cuivre(II)
solide
noir
oxydation
réaction redox

→
Cu
+
H2O
dihydrogène
cuivre
eau
gaz
incolore
combustible
solide
rouge métallique
liquide
incolore
+Q
Lors de cette réaction :
! l’oxyde de cuivre(II) libère de l’oxygène : il est réduit.
! le dihydrogène se lie à l’oxygène : il est oxydé.
Une réaction pendant laquelle une oxydation et une réduction se
déroulent simultanément est appelée réaction d’oxydoréduction
ou réaction redox.
Une réaction redox peut être endothermique ou exothermique.
L’oxyde de cuivre(II)
dihydrogène.
joue
le
rôle
d’oxydant :
il
oxyde
le
113
Chapitre 6 : Réactions d’oxydoréduction
L’oxydant est réduit pendant la réaction de réduction en perdant
de l’oxygène.
Le dihydrogène joue le rôle de réducteur : il réduit l’oxyde de
cuivre(II).
Le réducteur est oxydé pendant la réaction d’oxydation en
acceptant de l’oxygène.
6.3.2. Réaction entre l’oxyde de cuivre(II) et le carbone
Introduisons un mélange d’oxyde de cuivre(II)
(CuO) et de carbone (C) dans un tube à essai.
Fermons le tube à essai par un
bouchon percé d’un tube en verre.
Chauffons le tube à essais et
recueillons le gaz formé pendant la
réaction dans un becher contenant
de l’eau de chaux.
114
Chapitre 6 : Réactions d’oxydoréduction
Dans le tube à essai, il s’est formé du
cuivre métallique.
L’eau de chaux dans le
becher s’est troublée ; il
y a donc production de
dioxyde de carbone lors
de la réaction.
Équation de la réaction
réduction
oxydation
2 CuO
oxydant
oxyde de
cuivre(II)
solide
noir
6.3.3.
+
réaction redox

→
C
2 Cu
+
CO2
-Q
réducteur
carbone
cuivre
solide
noir
solide
rouge métallique
dioxyde
de carbone
gaz
incolore
Aluminothermie
Dans un pot en céramique, mélangeons de
l’oxyde de fer(III) (Fe2O3) et de l’aluminium (Al).
Allumons ce mélange
à l’aide d’un ruban de
magnésium.
La réaction est très
exothermique.
En effet un des produits de la réaction peut
être identifié comme étant du fer liquide
(tfus(Fe) = 1535 °C). L’autre produit de la
réaction est l’oxyde d’aluminium.
115
Chapitre 6 : Réactions d’oxydoréduction
Équation de la réaction
réduction
oxydation
Fe2O3
+
2 Al
réaction rédox

→
2 Fe
+
Al2O3
oxydant
réducteur
oxyde de
fer(III)
aluminium
fer
oxyde
d'aluminium
solide
rouge
solide
gris métallique
liquide
incandescent
solide
transparent
-Q
Usage
Cette réaction est utilisée de
nos jours pour la soudure des
rails de chemin de fer.
# voir exercices 6.1 à 6.3 page 118
Pour plus d’informations sur des réactions redox importantes :
# voir Infos
!
!
!
!
116
6.1 page 119
6.2 page 122
6.3 page 124
6.4 page 126
Le cycle du carbone
Alimentation et respiration
La photosynthèse
Le cycle nutritif de la plante
?
Questions de cours
1. Définir :
! réaction d’oxydation
! réaction de réduction
! réaction d’oxydoréduction
! réaction endothermique
! réaction exothermique
2. Écrire les équations des réactions suivantes :
a)
b)
c)
d)
e)
combustion du carbone
thermolyse de l’oxyde de mercure(II)
réaction entre l’oxyde de cuivre(II) et le dihydrogène
réaction entre l’oxyde de cuivre(II) et le carbone
réaction d’aluminothermie
Indiquer pour chaque réaction de quel type de réaction il s’agit, et
indiquer si la réaction est exothermique ou endothermique.
Questions de compréhension
3. Équilibrer les équations suivantes ; indiquer sur chaque équation
l’oxydation, la réduction, l’oxydant et le réducteur.
a)
CuO + Pb → Cu + PbO
b)
FeO + K → Fe + K 2O
c)
SnO2 + Al → Al2O3 + SnO
d)
NiO + Cr → Cr2O3 + Ni
Questions à choix multiple (QCM) - Une seule réponse est correcte.
4. Lors d’une réaction d’oxydation, il y a
gain d’oxygène.
perte d’oxygène.
ni gain, ni perte d’oxygène.
5. Une réaction de combustion peut aussi être appelée
réaction d’oxydation.
réaction de réduction.
réaction d’oxydoréduction.
6. Les réactions de réduction sont accompagnées
d’une absorption de chaleur.
d’un dégagement de chaleur.
ni d’absorption, ni de dégagement de chaleur.
7. Un corps est réduit, s’il
perd de l’oxygène.
gagne de l’oxygène.
117
?
Exercice 6.1
Établir les équations des réactions suivantes.
Préciser à chaque fois s’il s’agit d’une oxydation ou d’une réduction.
Indiquer si la réaction est exothermique ou endothermique.
a) combustion du sodium,
b) thermolyse de l’oxyde d’argent(I),
c) transformation de l’oxyde de fer(II) en oxyde de fer(III) par réaction
avec le dioxygène,
d) électrolyse de l’eau (décomposition de l’eau en éléments par le
courant électrique).
Exercice 6.2
Dans l’équation de la réaction redox suivante, identifier l’oxydation, la
réduction, l’oxydant et le réducteur.
CO + H2O → H2 + CO2
Exercice 6.3
Établir les équations des réactions redox pour lesquelles les réactifs et
les produits sont donnés dans le tableau ci-dessous.
Dans les équations des réactions redox identifier l’oxydation, la
réduction, l’oxydant et le réducteur.
118
réactifs
produits
a)
oxyde de plomb(II)
calcium
plomb
oxyde de calcium
b)
oxyde de fer(III)
monoxyde de carbone (CO)
fer
dioxyde de carbone
c)
oxyde de fer(III)
cuivre
oxyde de fer(II)
oxyde de cuivre(II)
d)
magnésium
eau
oxyde de magnésium
dihydrogène
e)
oxyde de silicium
aluminium
silicium
oxyde d’aluminium
i
Info 6.1
microorganismes
pétrole
Le cycle du carbone
119
i
Info 6.1 (suite)
Les combustibles fossiles charbon et pétrole résultent de la
dégradation d’organismes morts. La fossilisation exige des millions
d’années et se réalise sous l’effet d’une pression énorme.
Le pétrole, extrait du sol, est utilisé par la suite dans les usines et
comme carburant dans les véhicules.
Lors de la combustion, le pétrole est oxydé en dioxyde de carbone.
D’autres émissions naturelles de dioxyde de carbone proviennent
de :
• la respiration humaine et animale,
• la respiration de microorganismes,
• l’éruption de volcans.
L’absorption du dioxyde de carbone se fait :
1. par les plantes vertes lors de la photosynthèse.
Équation de la réaction de photosynthèse
6 CO2
dioxyde
de carbone
+ 6 H2O → C6H12O6
eau
+
glucose
6 O2
dioxygène
+Q
Le
rayonnement
solaire constitue la
source
d’énergie
nécessaire pour faire
la photosynthèse.
Pendant la nuit, la photosynthèse ne peut donc pas se dérouler :
les végétaux effectuent alors une respiration similaire à celle des
hommes et des animaux. La respiration correspond à la réaction
inverse de la photosynthèse.
Équation de la réaction de respiration
C6H12O6 +
glucose
120
6 O2
dioxygène
→
6 CO2
dioxyde
de carbone
+ 6 H2O
eau
-Q
i
Info 6.1 (suite)
2. la plus grande partie du dioxyde de carbone se dissout dans
l’eau des océans, puis réagit avec l’eau selon l’équation
suivante :
→
←
CO2(atm)
CO2(dissous)
dioxyde de
dioxyde de
carbone provenant
carbone dissous
de l'atmosphère
dans l'eau
→
←
CO2
+
→
←
H2O
H2CO3
dioxyde de
eau
acide
carbone
(des océans)
carbonique
Puisque toutes les réactions sont réversibles, il y a échange
continuel entre le dioxyde de carbone atmosphérique et l’acide
carbonique contenu dans l’eau.
Ces réactions réversibles constituent des équilibres chimiques3.
L’acide carbonique réagit en partie avec le calcaire contenu dans
l’eau des océans ; il y a transformation de l’acide carbonique en
sédiments marins (insolubles).
H2CO3
acide
carbonique
+
CaCO3
carbonate
de calcium
→
←
Ca(HCO3 )2
→ sédiments marins
hydrogénocarbonate
de calcium
insolubles
soluble
Perturbations du cycle du carbone
Les principales perturbations du cycle de carbone viennent :
•
d’une émission supplémentaire et excessive de CO2 par les
industries, les véhicules et le chauffage. Cet excès ne peut pas être
entièrement absorbé par les plantes vertes et les océans.
•
de la déforestation tropicale: la capacité de transformation du
dioxyde de carbone en dioxygène est fortement réduite.
Par conséquent, la concentration du dioxyde de carbone dans
l’atmosphère augmente. Or une concentration plus élevée en CO2
provoque une augmentation de l’effet de serre, donc un échauffement
global du climat.
3
→
l’équilibre chimique est représenté par une double flèche: ←
121
i
Info 6.2
Alimentation et respiration
aliments
CO2
appareil digestif
O2
poumons
nutriments
sang
hématies
(globules rouges)
plasma
cellules
combustion des nutriments,
principalement le glucose :
C6H12O6
glucose
122
+
6 O2
6 CO2
dioxygène
dioxyde
de carbone
+
6 H2O
eau
-Q
i
Info 6.2 (suite)
Alimentation
Respiration
Lors de la digestion, les aliments
subissent deux types de transformations:
• la digestion mécanique, lors de
laquelle ils sont écrasés et subdivisés en des morceaux plus petits.
• la digestion chimique, lors de
laquelle des enzymes transforment les aliments en molécules
de plus petite taille.
Lors de la respiration, le dioxygène
de
l’air
entre
dans
notre
organisme par les poumons, dans
lesquels il arrive par le nez et la
trachée.
Comme le dioxygène est très peu
soluble dans le plasma sanguin,
son transport vers les cellules doit
être assuré par les globules
rouges. Ces cellules spécialisées
contiennent l’hémoglobine, une
molécule complexe qui peut fixer
le dioxygène de façon réversible*.
Arrivé aux cellules, le dioxygène
est libéré et participe à la réaction
d’oxydation des nutriments.
Le dioxyde de carbone produit
pendant cette réaction atteint les
poumons soit par le chemin
inverse de l’oxygène, c’est-à-dire
en se fixant réversiblement sur
l’hémoglobine, soit en se dissolvant dans le plasma sanguin.
À partir des poumons, il est expiré, ce qui explique que l’air
expiré contient plus de dioxyde de
carbone que l’air inspiré.
En fait, seulement 1/4 du
dioxygène inhalé intervient dans
les échanges respiratoires : l’air
expiré renferme encore 16 % de
dioxygène.
Ces molécules de plus petite taille
constituent les nutriments, qui sont
les aliments pour les cellules. Le
transport
des
nutriments
de
l’appareil digestif aux cellules se fait
par le plasma sanguin.
Arrivés aux cellules, les nutriments
sont soit utilisés pour « construire »
des molécules nécessaires à la vie,
soit subissent des transformations
chimiques qui libèrent de l’énergie.
Ainsi la réaction d’oxydation du glucose (voir
schéma
page
122)
constitue une source d’énergie.
L’énergie libérée par cette réaction
d’oxydation est utilisée pour les
activités cellulaires (mouvements,
échanges…) ; l’énergie excédentaire
est évacuée sous forme de chaleur.
* structure de l’hème, partie de
l’hémoglobine
qui
fixe
le
dioxygène:
H
CH3
S-protéine
CH3 H
CH3
H
S-protéine
N
N
H
CH3
H
Fe
N
N
CH3
CH3
H
O
O
O
O
123
i
Info 6.3
La photosynthèse
lumière solaire
O2
CO2
Cellule végétale
Chloroplaste
phase lumineuse
molécules complexes
stockant de l'énergie
phase obscure
C6H12O6
H2O
La photosynthèse se déroule à l’intérieur des chloroplastes des cellules
des plantes vertes.
Pour pouvoir faire la photosynthèse, la cellule a besoin de dioxyde de
carbone provenant de l’air (ou de l’eau pour les algues et les autres
plantes aquatiques) et d’eau provenant du sol (ou de l’eau
environnante pour les plantes aquatiques).
La photosynthèse se déroule en deux étapes :
•
la phase lumineuse
Cette phase peut seulement se dérouler en présence de lumière qui
fournit l’énergie nécessaire pour une série de réactions très complexes.
Au cours de cette phase, l’eau est dissociée avec libération de
dioxygène rejeté dans l’atmosphère.
124
i
Info 6.3 (suite)
L’énergie lumineuse est captée par la chlorophylle* qui est donc
une molécule indispensable à la photosynthèse.
L’énergie lumineuse captée par la chlorophylle au cours de la phase
lumineuse est stockée dans des molécules très complexes. Ces
molécules libèrent l’énergie stockée pendant la deuxième étape de la
photosynthèse, appelée phase obscure.
•
la phase obscure
Le nom de cette phase est dû au fait que les réactions qui s’y
déroulent n’ont pas besoin de lumière, mais utilisent l’énergie stockée
dans les molécules complexes formées pendant la phase lumineuse.
Au cours d’une série de réactions biochimiques compliquées, le
dioxyde de carbone absorbé par la cellule est transformé en glucose
qui interviendra dans d’autres réactions nécessaires à la survie de la
plante (p.ex. respiration, voir Info 6.2 page 122).
Équation globale de la photosynthèse
6 CO2
dioxyde
de carbone
+ 6 H2O → C6H12O6
eau
+
6 O2
glucose
+Q
dioxygène
Le rayonnement solaire constitue la
source d’énergie nécessaire pour faire
la photosynthèse.
CH2
* structure de la chlorophylle,
molécule fondamentale pour la
photosynthèse:
CH3
HC
H3C
N
H3C
H
CH2
CH2
C O
CH2 CH3
N
Mg
N
N
CH3
H
H
O C29H39
O
O
C
O CH3
125
126
hommes,
animaux
nourriture
décomposition
volatilisation de NOx
décomposition
NH4+ / NO3PO43K+
nutriments
Ca2+
Mg2+
plantes
décomposition
décomposition de
plantes mortes
orages,
précipitation de NOx
N2 de l'air
sol
engrais
NH4+ / NO3PO43K+
Ca2+
Mg2+
i
Info 6.4
Cycle nutritif de la plante
i
Info 6.4 (suite)
Comme il a été expliqué dans l’Info 6.3 sur la photosynthèse, les
plantes absorbent de l’eau et du dioxyde de carbone pour les
transformer ensuite en glucose et en dioxygène.
À part l’eau et le dioxyde de carbone, les plantes ont besoin d’éléments
nutritifs dont les plus importants sont l’azote, le phosphore, le
potassium, le calcium et le magnésium. Bien que l’azote se trouve en
quantité pratiquement inépuisable dans l’air sous forme de diazote, les
plantes sont incapables d’assimiler le diazote de l’air.
La plante ne peut absorber les éléments cités ci-dessus que sous
forme d’ions ou liés à d’autres éléments dans des ions. Ainsi, les
plantes utilisent l’azote de l’ion ammonium (NH4+) ou de l’ion nitrate
(NO3-), le phosphore de l’ion phosphate (PO43-) et les métaux sous leur
forme ionique (K+, Ca2+ et Mg2+).
Dans la nature, le cycle nutritif des plantes est fermé : les éléments
que la plante enlève au sol pour se développer, sont reconduits plus
tard au sol par décomposition de la plante morte. Une nouvelle
génération de plantes dispose ainsi des nutriments essentiels pour
vivre.
Toutefois, à cause des récoltes réalisées par l’homme, le cycle n’est
plus fermé. Ainsi, le sol s’appauvrit en nutriments et par conséquent
les générations de plantes ultérieures ne disposent plus de tous les
nutriments nécessaires à leur croissance. Les engrais sont utilisés
pour remplacer ces nutriments manquants.
On distingue deux types d’engrais :
! les engrais organiques, comme le fumier (Mist), le purin (Jauche),
ou le compost.
! les engrais minéraux comme par exemple :
le nitrate d’ammonium : NH4NO3 (ou NH4+ NO3-),
le phosphate de calcium : Ca3(PO4)2 (ou (Ca2+)3(PO43-)2 ),
le sulfate de potassium : K2SO4 (ou (K+)2(SO42-)),
le nitrate de potassium : KNO3 (ou K+ NO3-).
mélange d’engrais minéraux
127