Classification quantitative des couples oxydant-réducteur

Une réaction d’oxydo-réduction est une transformation chimique qui met en jeu des transferts d’électrons entre un oxydant et un réducteur. Un oxydant, noté $\mathrm Ox$, est une entité capable de capter un ou plusieurs électrons $\rm e^-$. Un réducteur, noté $\rm Red$, est une entité capable de céder un ou plusieurs électrons $\rm e^-$.

Un oxydant et un réducteur sont dits conjugués et forment un couple $\rm Oxydant/ Réducteur$ et sont reliés par une demi-équation électronique : $\mathrm Ox + \rm n e^- \Leftrightarrow Red$ avec $\rm n$ nombre d’électrons échangés.

Le passage de l’oxydant à son réducteur conjugué est une réduction : $\mathrm Ox + \rm n e^- \rightarrow Red$.

Le passage du réducteur à son oxydant  conjugué est une oxydation :  $\mathrm{Red} \rightarrow \mathrm Ox + \rm n e^-$.

Pour équilibrer une demi-équation électronique, il faut suivre plusieurs étapes :

• Ecrire les espèces conjuguées de part et d’autre de la double flèche et s’assurer de la conservation des éléments autres que $\rm H$ et $\rm O$.
• Assurer la conservation de l’élément $\rm O$ en ajoutant des molécules d’eau $\rm H_2O$.
• Assurer la conservation de l’élément $\rm H$ en ajoutant des ions hydrogène $\rm H^+$.
• Assurer la conservation de la charge électrique en ajoutant des électrons $\rm e^-$.

Une réaction d’oxydo-réduction est une réaction dont les réactifs sont un oxydant et un réducteur de deux couples $\rm oxydant/ réducteur$ différents.

Méthode pour écrire une équation d’oxydo-réduction :

• Déterminer les $2$ couples $\rm oxydant/ réducteur$ mis en jeu.
• Ecrire les demi-équations électroniques dans le sens de la réaction.
• Appliquer un coefficient multiplicateur pour obtenir le même nombre d’électrons dans les deux demi-équations électroniques.
• Additionner les deux demi-équations électroniques.

Piles :

Une pile électrochimique est un générateur qui transforme de l'énergie chimique fournie par réaction d'oxydoréduction spontanée en énergie électrique.

Chaque pile électrochimique est constituée de deux demi-piles. Chaque demi-pile est constrituée d'une électrode (en métal : $\rm M$) et d'un électrilyte (solution d'ions métallique $\rm M^{n+}_{(aq)}$).

Elles font donc référence chacune à un couple oxydo-réducteur $\bf M^{n+}_{(aq)}/M_{(s)}$.

Une jonction électrochimique est réalisée à l'aide d'un pont salin (solution ionique gélifiée) : il permet d'assurer la fermeture du circuit électrique et la neutralité de chaque électrolyte. Il n'intervient en rien dans l'équation de la réaction qui fournit l'énergie.

Pile Daniel :

Des électrons sont cédés par l'électrode de Zinc selon la demi-équation électronique :

\[\bf Zn_{(s)} = Zn^{2+}_{(aq)} + 2e^-\]

Les électrons sortent de cette électrode donc le courant entre dans cette électrode il s'agit de la borne $\ominus$ de la pile.

Des électrons sont captés par la solution ionique d'ions cuivre $\rm II$ selon la demi-équation électronique :

\[\bf Cu^{2+}_{(aq)} + 2 e^- = Cu_{(s)}\]

Les électrons arrivent sur l'électrode de cuivre donc le coutant sort de cette électrode il s'agit de la borne $\oplus$ de la pile.

Mais dans les électrolytes, ce sont les ions les porteurs de charges, ils conduisent le courant.

La solution de sulfate de sinz s'enrichit en ions zinc II, alors pour compenser cet excès de charge positive, des ions nitrate du pont salin passent dans cette solution.

Inversement, la solution de sulfate de cuivre $\rm II$ s'apauvrit en ions cuivre II, pour compenser ce défaut de charge positive, des ions ammonium du pont salin passent dans cette solution.

Cette double migration des ions du pont salin assure le passage du courant entre les deux demi-piles.

Au pôle positif d'une pile, on a toujours la réaction : $\mathrm Ox_1 + \rm ne^- = Red_1$, c'est une réduction.
L'électrode est alors appelée une cathode.

Au pôle négatif d'une pile, on a toujours la réaction : $\mathrm{Red_2} = \mathrm Ox_2 + \rm ne^-$, c'est une oxydation.
L'électrode est alors appelée une anode.

Les électrodes sont mises aux deux extrémités du schéma, le pôle négatif à gauche, le pôle positif à droite.

Les deux couples mis en jeu sont séparés par un double trait oblique :

Exemple :

La pile Daniel : $\bf \ominus Zn_{(s)} / Zn^{2+}_{(aq)} // Cu^{2+}_{(aq)} / Cu_{(s)}\oplus$

Remarque : si une demi-pile fait intervenir une électrode inerte, comme du platine par exemple.
Si elle représente le pôle négatif de la pile : $\rm \ominus Pt / Red / Ox // \ldots$

La force électromotrice E d'une pile (f.è.m.) est la différence de potentiel électrique, en circuit ouvert, entre la borne de droite de la pile et sa borne de gauche.

$\color{orange}{\boxed{\color{black}{\bf E = V_{b.D} - V_{b.G}}}}$

Force électromotrice E et résistance interne r :

Le caractéristique intensité d'une pile est donnée ci-dessous. Son équation est $\rm U_{PN} = E - rI$.

$\rm E$ est appelée force électromotrice (f.e.m.) de la pile. Elle se mesure en volt. C'est la tension aux bornes de la pile lorsqu'elle ne débite pas. Pour la mesurer il suffit de brancher une voltmètre aux bornes de la pile lorsqu'elle n'est reliée à un circuit. $\rm E$ est alors égale à la valeur absolue de la valeur affichée par le voltmètre.

La demi-pile à hydrogène étant prise comme référence $\rm (E°H_3O^+/H_2 = 0,00~V)$.