Utilisation de l'évolution spontanée d'un système - Les réactions d’oxydoréduction

I-                    Les réactions d’oxydoréduction :

1-      Rappels :

Nous avons jusqu’ici beaucoup travaillé sur les réactions acido-basiques. Celles-ci consistent en des transferts de protons entre un donneur (l’acide de Bronsted) et un accepteur (la base de Bronsted).

Or nous savons qu’il existe une grande catégorie de réactions chimiques dites réactions d’oxydoréduction. Elles fonctionnent de façon analogue :

-          Il s’agit d’une réaction de transfert d’électrons ;

-          Entre un donneur : le réducteur ;

-          Et un accepteur : l’oxydant ;

-          Nous avons déjà vu que la labilité des atomes d’hydrogène des acides était liée à leur faible électronégativité. Ici encore, c’est l’électronégativité qui va jouer, puisque élément va céder ses électrons d’autant plus facilement (c'est-à-dire qu’il sera un réducteur d’autant meilleur) qu’il est moins électronégatif (on dit encore plus électropositif). A l’inverse, un élément captera d’autant mieux des électrons (et sera donc un oxydant d’autant meilleur) qu’il sera plus électronégatif (fig-1).

Nous ne retiendrons donc qu’un oxydant est avide d’électrons. Au cours d’une réaction d’oxydoréduction, c’est lui qui les arrache à l’autre espèce, et qui voit son nombre d’oxydation diminuer. Le réducteur, au contraire, est celui qui va permettre à la première espèce de réduire son nombre d’oxydation. Pour cela, il va céder ses propres électrons. Ainsi, au cours d’une réaction d’oxydoréduction, le réducteur est oxydé, et l’oxydant est réduit.

On retiendra également qu’une telle réaction peut utiliser non seulement les éléments eux-mêmes, mais également des molécules d’eau et des ions H₃O⁺ ou HO^-, selon la nature (acide ou basique) du milieu réactionnel.

Ces réactions sont extrêmement intéressantes car elles mettent en jeu des transferts d’électrons, et pouvoir transférer des électrons, c’est pouvoir faire circuler un courant électrique dans un conducteur solide (s’il existait un matériau dans lequel les protons pouvaient se déplacer, on pourrait concevoir des générateurs de courant fonctionnant sur la base de réactions acido-basiques). Nous allons voir à présent pourquoi et comment.

2-      Équilibres d’oxydoréduction :

Les réactions d’oxydoréduction donnent lieu à des équilibres chimiques. Par exemple, si nous considérons la réaction des ions Cu²⁺ sur le fer, il restera toujours un peu d’ions Cu²⁺ et de fer dans le milieu réactionnel en fin de réaction et ce, même s’ils ont été apportés en proportions stœchiométriques.

On peut donc associer des constantes de réaction aux réactions d’oxydoréduction. Il est cependant bon de préciser que ces constantes sont extrêmes élevées (ou extrêmement faibles, selon la convention d’orientation choisie pour l’équation chimique). Ainsi, par exemple, pour la réaction d’équation :

Cu²⁺_(aq)  + Fe_(s) = Cu_(s) + Fe²⁺_(aq)

La constant de réaction vaut, à 298K, K=2,1.10²⁵. si nous exprimons le quotient de la réaction ci-dessus, nous obtenons donc :

Q_r = [Fe²⁺]/[Cu²⁺] = 2,1.10²⁵ à l’équilibre.

Nous en déduisons donc que si nous plongeons un morceau de fer solide dans une solution aqueuse contenant des ions Cu²⁺, ceux-ci vont spontanément réagir, c'est-à-dire donner lieu à une réaction chimique sans intervention de l’expérimentateur, autre que leur mise en contact. Par ailleurs, à l’équilibre, l’essentiel des ions en solution seront des ions fer, donc la réaction sera pratiquement totale. Cette très grande force des réactions d’oxydoréduction, et le fait qu’elles impliquent un transfert d’électrons, en font des réactions privilégiées pour récupérer de l’énergie électrique. Nous allons donc voir comment utiliser la spontanéité de certaines réactions chimiques pour récupérer du courant électrique.

3-      Montage :

Il existe plusieurs façons de procéder à une réaction d’oxydoréduction ; la première est de mélanger oxydant et réducteur : c’est la manière la plus directe et intuitivement la plus évidente. Les deux réactifs partagent le même milieu réactionnel, et c’est grâce à ce contact direct que se fait la réaction (fig-2).

La deuxième manière consiste à faire réagir chaque élément dans un compartiment séparé : les électrons transitent alors entre les deux compartiments. On peut dans ce cas intercepter ce courant d’électrons, et d’utiliser au fonctionnement d’un appareil électrique : c’est le principe de la pile, que nous allons aborder à présent.