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Modélisation de l’évolution d’une réaction chimique
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Introduction :
Les appareils électroniques et voitures électriques sont alimentés grâce à des batteries. Dans une voiture à moteur thermique, la batterie permet le démarrage et alimente les composants électriques, en étant rechargée par le fonctionnement du moteur.
Ces batteries sont des générateurs électrochimiques. La quantité d’énergie qu’il leur est possible de fournir dépend des réactions chimiques mises en jeu et des quantités de réactifs.
Ce cours présente la réaction d’oxydoréduction, ses réactifs et ses caractéristiques. Puis les notions et outils permettant de mesurer l’évolution d’un système chimique sont présentés : l’avancement et le tableau d’avancement.
Réaction d’oxydoréduction
Étude d’une pile
Considérons l’expérience suivante.
Une électrode de cuivre est plongée dans une solution de sulfate de cuivre (bleue), et une électrode de zinc est plongée dans une solution de sulfate de zinc (incolore). Les deux récipients sont reliés par un pont salin, tube de verre contenant une solution saline gélifiée. Un voltmètre relié aux deux électrodes affiche une tension électrique proche de . Ce système peut alimenter un petit circuit électrique.
À mesure que du courant est produit, on peut voir l’électrode de zinc s’amincir : le zinc métal est consommé. En même temps, un dépôt orangé apparaît sur l’électrode de cuivre et la solution de sulfate de cuivre commence à se décolorer : du cuivre métal est formé et des ions sont consommés.
Une pile, aussi appelée générateurs électrochimiques, est un appareil produisant de l’électricité en mettant en jeu une transformation chimique.
La pile de l’expérience ci-dessus est une variante de pile « cuivre-zinc ». Les premières piles utilisant ces deux métaux étaient la pile voltaïque, conçue et présentée en 1800 par Alessandro Volta, et la pile Daniell, conçue en 1836 par John Daniell, précurseurs des piles modernes. Une variante originale à base de citron ou de pomme de terre peut aussi être fabriquée.
Oxydant et réducteur
Dans notre expérience, il se produit une transformation chimique que l’on peut modéliser par une réaction chimique. On appelle cette réaction, une réaction d’oxydoréduction mettant en jeu un transfert d’électrons entre une espèce chimique, un oxydant, et une autre espèce chimique, un réducteur.
Couple oxydant/réducteur :
Un couple oxydant/réducteur, noté , est formé d’un oxydant et d’un réducteur dès lors que l’on peut passer de l’un à l’autre par un gain ou une perte d’électrons. Les deux espèces chimiques sont alors conjuguées.
Une réaction d’oxydoréduction est donc une réaction chimique au cours de laquelle se produit un échange d’électrons entre deux espèces chimiques.
Demi-équations et équation d’une réaction d’oxydoréduction
La pile présentée ci-dessus est le siège de deux réactions chimiques.
La demi-équation électronique qui lie le couple , mettant en jeu un ou plusieurs électrons, s’écrit :
Avec le nombre d’électrons échangés.
Prenons en exemple le couple ion dichromate/ion chrome (III), que l’on note — qui nous servira plus tard, vous verrez. Voici la méthode de rédaction d’une demi-équation électronique :
L’équation d’une réaction d’oxydoréduction est une réaction entre un oxydant et un réducteur de deux couples oxydant/réducteur différents.
Les électrons échangés ne doivent pas apparaître dans l’équation de la réaction.
Dans notre pile, on a vu que le zinc était oxydé et le cuivre était réduit.
On sait que les deux demi-équations électroniques sont :
L’équation de la réaction est alors la somme des demi-équations électroniques :
Le zinc métal est oxydé par l’ion cuivre dès qu’il est possible aux porteurs de charge de circuler, soit en plaçant toutes les espèces dans le même milieu, soit en fermant le circuit.
Considérons la transformation chimique se produisant dans un éthylotest de type « ballon » : l’éthanol éventuellement présent dans l’haleine du conducteur est oxydé en acide éthanoïque.
L’embout du ballon est un tube en verre contenant du dichromate de potassium acidifié, l’oxydant. Il s’agit d’un produit dangereux pour l’environnement et toxique, des précautions sont donc à prendre pour son recyclage.
Le dichromate est l’oxydant et le chrome est le réducteur.
La demi-équation, que l’on a vu plus haut, s’écrit :
L’acide éthanoïque est l’oxydant et l’éthanol est le réducteur.
La demi-équation s’écrit :
Pour mieux comprendre comment obtenir cette équation de réaction d’oxydoréduction, voici la méthode :
Évolution d’une transformation chimique
D’après le bilan précédent, si l’haleine du conducteur contient de l’alcool, le réactif jaune de l’éthylotest se colore en vert.
Évolution des quantités de matière et avancement de la réaction
Considérons le bilan établi précédemment et les quantités des espèce présentes, en fonction du temps.
Cependant, le temps n’est pas la coordonnée idéale pour mesurer la progression d’une transformation, car toutes les transformations chimiques ne progressent pas à la même vitesse.
Avancement :
La grandeur est appelée avancement de la réaction. Celle-ci est mesurée en mole et représente l’évolution des quantités de matière des réactifs et produits au cours d’une transformation chimique.
Au cours d’une transformation chimique, le système change d’état et l’avancement peut prendre différentes valeurs entre son état initial et final.
Dans l’exemple de l’éthylotest, la limite stabilisée entre les zones verte et jaune montre la fin de la réaction. Celle-ci a lieu quand le réactif limitant, l’éthanol, est entièrement consommé. L’avancement ne peut plus augmenter, l’état final de la réaction est atteint.
La progression de la « zone verte » marque l’avancement de la réaction.
La réaction mise en jeu dans notre pile est bien totale. Cependant, l’excès d’ions crée localement un champ électrostatique qui peut gêner l’avancement de la réaction à cette électrode.
Une agitation suffisante limite ce problème.
Tableau d’avancement
L’avancement final et l’avancement maximal dépendent de la réaction étudiée et de l’état initial.
On peut donc, dans le cas d’une réaction totale, prévoir l’état final et l’avancement final, connaissant les quantités initiales de réactifs.
Tableau d’avancement :
Un tableau d’avancement décrit l’évolution des quantités de matière de chaque espèce chimique au cours de la transformation chimique entre son état initial et son état final.
Voici la composition d’un tableau d’avancement :
Avec la quantité de matière initiale.
Pour déterminer le réactif limitant à l’aide d’un tableau d’avancement, il vous faut déterminer la valeur de l’avancement des deux réactifs. En voici la méthode :
Hypothèse 1 | Hypothèse 2 |
Si le réactif était le réactif limitant, alors . L’avancement maximal serait | Si le réactif était le réactif limitant, alors . L’avancement maximal serait |
Voici le tableau d’avancement complété de la réaction de l’éthylotest :
Mélange stœchiométrique
Mélange stœchiométrique :
Un mélange stœchiométrique est un mélange dans lequel tous les réactifs ont été introduits dans les proportions indiquées dans l’équation de la réaction, ce sont les proportions stœchiométriques.
Soit la réaction d’équation :
Nos réactifs, et , doivent être présents, dans la réaction, dans les proportions indiquées dans l’équation de réaction, soit respectivement et , leurs coefficients stœchiométriques.
Cette configuration est optimale du point de vue de l’utilisation des réactifs. En effet, elle permet de produire une quantité maximale des produits pour une quantité donnée des réactifs.
Certaines réactions nécessitent la présence d’un réactif en excès. Ce peuvent être des réactions non totales, ou dont l’avancement évolue lentement, ou encore dont les conditions expérimentales empêchent l’utilisation de tout le réactif.
Il y a aussi le cas où l’objectif est de mesurer la quantité d’un réactif, l’autre est alors apporté en excès et la quantité restante mesurée après la réaction, comme dans le cas du ballon éthylotest.
De tels cas feront l’objet de cours ultérieurs.
Conclusion :
Une réaction d’oxydoréduction est une réaction chimique au cours de laquelle se produit un échange d’électrons entre le réducteur d’un couple et l’oxydant d’un autre. Il se forme des espèces chimiques conjuguées de chacun des réactifs.
L’équation de la réaction d’oxydoréduction modélise la transformation chimique.
La progression d’une réaction chimique est modélisée par une grandeur appelée avancement. Un tableau d’avancement permet, pour une réaction totale, de déterminer l’état final connaissant l’état initial. Un mélange stœchiométrique contient les réactifs dans les proportions de l’équation de la réaction. Ainsi, tous les réactifs sont épuisés en même temps.