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Modélisation de l’évolution d’une réaction chimique

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Notion de réaction d’oxydoréduction

  • Une pile, aussi appelée générateur électrochimique, est un appareil produisant de l’électricité en mettant en jeu une réaction chimique.
  • L’équation représentant une réduction ou une oxydation met en jeu un ou plusieurs électrons : elle est appelée demi-équation électronique.
  • Dans une pile, on observe une oxydation et une réduction :
  • l’anode est l’électrode où se produit l’oxydation ;
  • la cathode est l’électrode où se produit la réduction.
  • Le défaut ou l’excès d’électrons de valence d’un élément constitutif d’une espèce chimique est appelé nombre d’oxydation de cet élément dans cette espèce chimique.
  • Le nombre d’oxydation d’un élément augmente quand il est oxydé, et diminue quand il est réduit.
  • Le n.o.\text{n.o.} est très souvent indiqué en chiffres romains.
  • Pour calculer les nombres d’oxydation :
  • égal au nombre de charges électriques d’un corps pur.
  • II-\,\text{II} pour l’oxygène sauf dans la molécule de dioxygène.
  • +I+\,\text{I} pour l’hydrogène sauf dans la molécule de dihydrogène.
  • la somme des n.o.\text{n.o.} dans un corps composé est égale au nombre de charges.
  • Deux espèces chimiques ayant en commun un élément à des nombres d’oxydation différents forme un couple oxydant/réducteur, ou ox/red.
  • L’oxydant est celui présentant le nombre d’oxydation le plus élevé.
  • Les deux espèces sont liées par la demi-équation : oxn++ne=red\text{ox}^{n+} + n \text{e}^- = \text{red}.
  • Le signe d’égalité signifie que deux réactions sont possibles : une réduction vers la droite, une oxydation vers la gauche.
  • Le potentiel électrochimique d’un couple ox/red, noté EE et exprimé en volt (V\text{V}), est une caractéristique mesurée expérimentalement.
  • Il s’agit de la différence de potentiel, ou tension électrique, aux bornes d’une pile présentant ce couple ox/red à une électrode et le couple H2O/H2\text{H}2\text{O}\,/\,\text{H}2 à l’autre électrode.
  • Soit deux couples ox/red de potentiels différents.
  • L’oxydant du couple au potentiel le plus élevé peut oxyder le réducteur de l’autre couple de manière spontanée : aox1+bred2cred1+dox2a\,\text{ox}1 + b\,\text{red}2 \to c\,\text{red}1 + d\,\text{ox}2.
  • La réaction inverse n’a pas lieu. Aucun électron n’apparaît dans l’équation-bilan équilibrée.

Évolution d’une réaction chimique

  • La variable xx est appelée avancement. Celle-ci est mesurée en moles et représente la progression de la transformation chimique.
  • On présente dans un tableau d’avancement les quantités disponibles de chaque espèce chimique au cours de la progression de la transformation chimique.
  • Les quantités de matière consommées et formées y sont des multiples de xx.
  • Une transformation totale ne s’arrête que quand un réactif au moins est épuisé.
  • Les réactions d’oxydoréduction sont généralement totales.
  • L’avancement final est la valeur de l’avancement de la réaction dans l’état final.
  • Si la réaction est totale, l’avancement final est aussi appelé avancement maximal.
  • 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.
  • Si aucun réactif n’est limitant ni en excès, le mélange initial est dit stœchiométrique.
  • Pour ce faire, les réactifs doivent y être présents dans les proportions indiquées dans l’équation-bilan équilibrée.

Exemple de tableau d’avancement (éthylotest)

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