Physique · Prépa concours post-bac — ENA Architecture

Transformations associées à des réactions d'oxydoréduction

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Définition : Une réaction d'oxydoréduction est un transfert d'électrons entre un oxydant et un réducteur.
Demi-équation : $Ox + n \cdot e^- \rightleftharpoons Red$ .
Équation bilan : Somme des deux demi-équations en multipliant par les coefficients pour que le nombre d'électrons soit égal.
La pile : Système qui transforme l'énergie chimique en énergie électrique. Elle est composée de deux électrodes (anode et cathode) reliées par un pont salin.
Anode : Lieu de l'oxydation (pôle -).
Cathode : Lieu de la réduction (pôle +).
Quotient de réaction : $Q_{r,eq} = K$ à l'équilibre.

Méthodes à maîtriser

Équilibrer une équation d'oxydoréduction en milieu acide.
Schématiser une pile et écrire son équation de fonctionnement.
Calculer la force électromotrice $E = V_{cathode} - V_{anode}$ .
Déterminer le sens d'évolution spontanée en comparant $Q_{r,i}$ et $K$ .

Exemples corrigés

Exemple : Pile Daniell ( $Zn/Zn^{2+} || Cu^{2+}/Cu$ $Z n / Z n^{2 +} ∣∣ C u^{2 +} / C u$ ).
- Anode (-) : $Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^-$
- Cathode (+) : $Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s)$
- Bilan : $Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$

Erreurs fréquentes

Oublier de multiplier les demi-équations pour égaliser les électrons.
Inverser les pôles de la pile (anode = oxydation).
Oublier l'état physique des espèces dans l'expression de $Q_r$ .

L'essentiel du cours

Définition : Une réaction d'oxydoréduction est un transfert d'électrons entre un oxydant et un réducteur.
Demi-équation : $Ox + n \cdot e^- \rightleftharpoons Red$.
Équation bilan : Somme des deux demi-équations en multipliant par les coefficients pour que le nombre d'électrons soit égal.
La pile : Système qui transforme l'énergie chimique en énergie électrique. Elle est composée de deux électrodes (anode et cathode) reliées par un pont salin.
Anode : Lieu de l'oxydation (pôle -).
Cathode : Lieu de la réduction (pôle +).
Quotient de réaction : $Q_{r,eq} = K$ à l'équilibre.

Méthodes à maîtriser

Équilibrer une équation d'oxydoréduction en milieu acide.
Schématiser une pile et écrire son équation de fonctionnement.
Calculer la force électromotrice $E = V_{cathode} - V_{anode}$.
Déterminer le sens d'évolution spontanée en comparant $Q_{r,i}$ et $K$.

Exemples corrigés

Exemple : Pile Daniell ($Zn/Zn^{2+} || Cu^{2+}/Cu$).
- Anode (-) : $Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^-$
- Cathode (+) : $Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s)$
- Bilan : $Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$

Erreurs fréquentes

Oublier de multiplier les demi-équations pour égaliser les électrons.
Inverser les pôles de la pile (anode = oxydation).
Oublier l'état physique des espèces dans l'expression de $Q_r$.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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🎯 Transformations associées à des réactions d'oxydoréduction

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Quel est le rôle de l'anode ?

❓ Questions fréquentes

Kifach n3ref chkoun li oxydant o chkoun li reducteur f chi mouzdawja?

C'est simple : l'oxydant est toujours celui qui peut capter des électrons (il est à côté du signe $e^-$ dans la demi-équation). Le réducteur est celui qui les donne.

💡 À retenir : Dans $Ox + ne^- \rightleftharpoons Red$ , l'oxydant est à gauche et le réducteur est à droite.

C'est simple : l'oxydant est toujours celui qui peut capter des électrons (il est à côté du signe $e^-$ dans la demi-équation). Le réducteur est celui qui les donne.

💡 À retenir : Dans $Ox + ne^- \rightleftharpoons Red$, l'oxydant est à gauche et le réducteur est à droite.

Chno hiya l-fayda dyal l-qantra l-ayouniya (pont salin)?

Elle sert à deux choses : 1) Fermer le circuit électrique pour que le courant passe. 2) Assurer l'électroneutralité des solutions en laissant passer les ions.

💡 À retenir : Sans pont salin, la réaction s'arrête immédiatement car les charges s'accumulent.

Kifach n7seb l-qowwa l-kahraba2iya E dyal l-3amoud?

Tu utilises la relation $E = V_{cathode} - V_{anode}$ . Si tu as les potentiels standard, c'est $E = E^0_{cathode} - E^0_{anode}$ .

💡 À retenir : $E$ est toujours positive pour une pile qui débite.

Tu utilises la relation $E = V_{cathode} - V_{anode}$. Si tu as les potentiels standard, c'est $E = E^0_{cathode} - E^0_{anode}$.

💡 À retenir : $E$ est toujours positive pour une pile qui débite.

Est-ce que les solides interviennent dans le calcul de Qr ?

Non, les solides (métaux) et le solvant (eau) n'apparaissent pas dans l'expression de $Q_r$ . On ne met que les espèces en solution aqueuse.

💡 À retenir : $Q_r$ ne dépend que des concentrations des ions.

Non, les solides (métaux) et le solvant (eau) n'apparaissent pas dans l'expression de $Q_r$. On ne met que les espèces en solution aqueuse.

💡 À retenir : $Q_r$ ne dépend que des concentrations des ions.

Pourquoi dit-on que l'anode est le pôle négatif ?

Parce que c'est là que se produit l'oxydation, donc il y a libération d'électrons qui s'accumulent sur l'électrode.

💡 À retenir : Anode = Oxydation = Pôle (-).

Comment savoir si une réaction est spontanée ?

Il faut comparer $Q_{r,i}$ (valeur initiale) avec $K$ (constante d'équilibre). Si $Q_{r,i} < K$ , la réaction évolue dans le sens direct.

💡 À retenir : Le système évolue toujours vers l'état d'équilibre ( $Q_r = K$ ).

Il faut comparer $Q_{r,i}$ (valeur initiale) avec $K$ (constante d'équilibre). Si $Q_{r,i} < K$, la réaction évolue dans le sens direct.

💡 À retenir : Le système évolue toujours vers l'état d'équilibre ($Q_r = K$).

Est-ce que la pile s'arrête quand Qr = K ?

Oui, quand $Q_r = K$ , le système est en équilibre chimique, il n'y a plus de transfert net d'électrons, donc le courant s'annule.

💡 À retenir : Une pile "usée" est une pile dont le quotient de réaction a atteint la constante d'équilibre.

Oui, quand $Q_r = K$, le système est en équilibre chimique, il n'y a plus de transfert net d'électrons, donc le courant s'annule.

💡 À retenir : Une pile "usée" est une pile dont le quotient de réaction a atteint la constante d'équilibre.

Est-ce que le nombre d'électrons change l'équilibre ?

Non, le nombre d'électrons sert juste à équilibrer l'équation, il ne modifie pas la valeur de $K$ ou le sens d'évolution.

💡 À retenir : $K$ est une caractéristique thermodynamique de la réaction.

Non, le nombre d'électrons sert juste à équilibrer l'équation, il ne modifie pas la valeur de $K$ ou le sens d'évolution.

💡 À retenir : $K$ est une caractéristique thermodynamique de la réaction.

Comment équilibrer une équation avec des atomes d'oxygène ?

Équilibrer l'élément principal. 2) Ajouter $H_2O$ pour les oxygènes. 3) Ajouter $H^+$ pour les hydrogènes. 4) Ajouter $e^-$ pour les charges.

💡 À retenir : La conservation de la matière et de la charge est obligatoire.

Équilibrer l'élément principal. 2) Ajouter $H_2O$ pour les oxygènes. 3) Ajouter $H^+$ pour les hydrogènes. 4) Ajouter $e^-$ pour les charges.

💡 À retenir : La conservation de la matière et de la charge est obligatoire.

Est-ce que la température influence la pile ?

Oui, la constante d'équilibre $K$ dépend de la température. Si la température change, la tension de la pile peut varier.

💡 À retenir : Les tables de données sont souvent données à 25°C.

Oui, la constante d'équilibre $K$ dépend de la température. Si la température change, la tension de la pile peut varier.

💡 À retenir : Les tables de données sont souvent données à 25°C.

Est-ce que je dois toujours mettre les ions dans Qr ?

Oui, seuls les ions en solution aqueuse sont pris en compte dans le calcul du quotient de réaction.

💡 À retenir : $Q_r = \frac{[Produits]}{[Réactifs]}$ (concentrations molaires).

Oui, seuls les ions en solution aqueuse sont pris en compte dans le calcul du quotient de réaction.

💡 À retenir : $Q_r = \frac{[Produits]}{[Réactifs]}$ (concentrations molaires).

Est-ce que le courant sort de la cathode ou de l'anode ?

Le courant électrique sort de la borne positive (cathode) vers la borne négative (anode) à l'extérieur de la pile.

💡 À retenir : Le sens du courant est inverse au sens des électrons.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On considère une pile constituée d'une électrode de Zinc dans une solution de $Zn^{2+}$ ( $C=0,1 mol/L$ ) et d'une électrode d'Argent dans une solution de $Ag^+$ ( $C=0,1 mol/L$ ).

Écrire les demi-équations aux électrodes.
Écrire l'équation bilan.
Calculer $Q_{r,i}$ .

Exercice 1

On considère une pile constituée d'une électrode de Zinc dans une solution de $Zn^{2+}$ ($C=0,1 mol/L$) et d'une électrode d'Argent dans une solution de $Ag^+$ ($C=0,1 mol/L$).

Écrire les demi-équations aux électrodes.
Écrire l'équation bilan.
Calculer $Q_{r,i}$.

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Une pile fonctionne selon l'équation : $Fe(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Fe^{2+}(aq) + Cu(s)$ . Sachant que $K = 10^{26}$ , déterminer le sens d'évolution si $[Cu^{2+}] = 10^{-3} mol/L$ et $[Fe^{2+}] = 10^{-1} mol/L$ .

Exercice 2

Une pile fonctionne selon l'équation : $Fe(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Fe^{2+}(aq) + Cu(s)$. Sachant que $K = 10^{26}$, déterminer le sens d'évolution si $[Cu^{2+}] = 10^{-3} mol/L$ et $[Fe^{2+}] = 10^{-1} mol/L$.

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Exercice 3

Calculer la force électromotrice $E$ d'une pile sachant que $E^0(Cu^{2+}/Cu) = 0,34 V$ et $E^0(Zn^{2+}/Zn) = -0,76 V$ .

Exercice 3

Calculer la force électromotrice $E$ d'une pile sachant que $E^0(Cu^{2+}/Cu) = 0,34 V$ et $E^0(Zn^{2+}/Zn) = -0,76 V$.

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