Piles et oxydoréduction

Introduction

La pile qui alimente une télécommande, la corrosion d’un métal, la respiration de tes cellules… toutes ces transformations reposent sur un même phénomène : un transfert d’électrons entre espèces chimiques. C’est l’oxydoréduction.

Dans ce chapitre, tu vas apprendre à reconnaître ces réactions et à comprendre comment une pile produit de l’électricité.

I. Oxydant, réducteur et couple Ox/Red

Une réaction d’oxydoréduction met en jeu un échange d’électrons :

• une oxydation est une perte d’électrons ;
• une réduction est un gain d’électrons.

On définit alors :

• un réducteur : une espèce capable de céder des électrons (elle s’oxyde) ;
• un oxydant : une espèce capable de capter des électrons (elle se réduit).

Un oxydant et un réducteur qui se transforment l’un en l’autre forment un couple oxydant/réducteur, noté Ox/Red, relié par une demi-équation électronique :

Demi-équation. Ox + n e⁻ = Red Exemples : Cu²⁺ + 2 e⁻ = Cu (couple Cu²⁺/Cu) ; Zn²⁺ + 2 e⁻ = Zn (couple Zn²⁺/Zn).

II. La réaction d’oxydoréduction

Une réaction d’oxydoréduction est un transfert d’électrons entre le réducteur d’un couple et l’oxydant d’un autre couple.

Pour écrire l’équation, on combine les deux demi-équations de façon à ce que les électrons cédés soient exactement les électrons captés (ils n’apparaissent pas dans l’équation finale).

Exemple. Couples Cu²⁺/Cu et Zn²⁺/Zn : oxydation : Zn = Zn²⁺ + 2 e⁻ réduction : Cu²⁺ + 2 e⁻ = Cu équation : Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

III. Les piles

Une pile est un dispositif qui convertit l’énergie chimique d’une réaction d’oxydoréduction spontanée en énergie électrique.

Une pile est constituée de deux demi-piles : chacune contient une électrode (un métal) plongée dans une solution contenant ses ions. Les deux solutions sont reliées par un pont salin, et les deux électrodes par un circuit extérieur.

• À l’anode, il se produit l’oxydation : c’est le pôle négatif (−).
• À la cathode, il se produit la réduction : c’est le pôle positif (+).

Sens de circulation. Dans le circuit extérieur, les électrons circulent de l’anode (−) vers la cathode (+). Le pont salin ferme le circuit et maintient la neutralité électrique des solutions.

L’essentiel à retenir

À retenir.

• Oxydation = perte d’électrons ; réduction = gain d’électrons.
• Un couple Ox/Red est relié par la demi-équation Ox + n e⁻ = Red.
• Une réaction d’oxydoréduction = un transfert d’électrons du réducteur vers l’oxydant.
• Dans une pile : oxydation à l’anode (−), réduction à la cathode (+) ; les électrons vont de l’anode vers la cathode dans le circuit.

Exercices

Exercice 1 — Oxydation ou réduction ?

Pour chaque demi-équation, indique s’il s’agit d’une oxydation ou d’une réduction :

1. Fe = Fe²⁺ + 2 e⁻
2. Cl₂ + 2 e⁻ = 2 Cl⁻
3. Al = Al³⁺ + 3 e⁻

Exercice 2 — Oxydant et réducteur

On considère le couple Ag⁺/Ag (argent).

1. Écris la demi-équation électronique de ce couple.
2. Dans ce couple, quelle espèce est l’oxydant ? Laquelle est le réducteur ?

Exercice 3 — Établir une équation

On donne les couples Ag⁺/Ag et Cu²⁺/Cu. La réaction fait intervenir le cuivre métallique Cu et les ions argent Ag⁺.

1. Écris la demi-équation d’oxydation (couple du cuivre).
2. Écris la demi-équation de réduction (couple de l’argent).
3. En déduire l’équation de la réaction (attention au nombre d’électrons échangés).

Exercice 4 — Fonctionnement d’une pile

Une pile est formée d’une demi-pile au zinc (Zn²⁺/Zn) et d’une demi-pile au cuivre (Cu²⁺/Cu). Le zinc s’oxyde.

1. À quelle électrode se produit l’oxydation ? Quel est son signe (+ ou −) ?
2. Dans quel sens circulent les électrons dans le circuit extérieur ?
3. À quoi sert le pont salin ?

Corrigés

Corrigé de l’exercice 1

1. Fe = Fe²⁺ + 2 e⁻ : oxydation (le fer perd des électrons).
2. Cl₂ + 2 e⁻ = 2 Cl⁻ : réduction (le dichlore gagne des électrons).
3. Al = Al³⁺ + 3 e⁻ : oxydation (l’aluminium perd des électrons).

Corrigé de l’exercice 2

1. Demi-équation : Ag⁺ + e⁻ = Ag.
2. L’oxydant est Ag⁺ (il capte un électron) ; le réducteur est Ag (le métal).

Corrigé de l’exercice 3

1. Oxydation : Cu = Cu²⁺ + 2 e⁻.
2. Réduction : Ag⁺ + e⁻ = Ag.
3. Le cuivre cède 2 électrons, l’argent n’en capte qu’un : il faut multiplier la demi-équation de l’argent par 2 pour équilibrer les électrons. équation : Cu + 2 Ag⁺ → Cu²⁺ + 2 Ag.

Corrigé de l’exercice 4

1. L’oxydation se produit à l’anode, qui est le pôle négatif (−) (ici l’électrode de zinc).
2. Les électrons circulent de l’anode (zinc, −) vers la cathode (cuivre, +) dans le circuit extérieur.
3. Le pont salin ferme le circuit (il permet la circulation des ions) et maintient la neutralité électrique des deux solutions.