Principe des couples redox conjugués
À la base de toute réaction d'oxydoréduction se trouve l'interaction de deux systèmes conjugués. Le processus se résume à la transformation mutuelle des substances : l'oxydant, en captant des électrons (Reduction), se transforme en réducteur conjugué, qui est le produit de réduction. En même temps, le réducteur initial, en cédant des électrons (Oxidation), passe à la forme de l'oxydant conjugué.
Par exemple, lors de l'interaction entre les ions fer(III) et étain(II), le fer agit comme un oxydant et se transforme en cation d'étain. L'étain, au contraire, cède des électrons et augmente son degré d'oxydation, devenant un oxydant conjugué. Il en résulte la formation de deux couples indépendants qui échangent des charges.
Comment fonctionne le potentiel standard
La mesure quantitative de l'activité de chaque couple est le potentiel d'oxydoréduction standard ($E^\circ$). Sa signification physique consiste à évaluer avec quelle intensité une substance attire les électrons.
La règle est simple :
- Plus la valeur de $E^\circ$ est élevée, plus les propriétés oxydantes sont marquées (et par conséquent, plus le réducteur formé à partir de celui-ci est faible).
- Plus la valeur de $E^\circ$ est faible, plus le réducteur agit activement (et plus son oxydant conjugué est faible).
Par exemple, le potentiel standard du couple du fer est de $+0,77$ V et celui du couple de l'étain de $+0,15$ V. Puisque la valeur pour le fer est plus élevée, c'est lui qui arrache les électrons à l'étain, agissant comme l'oxydant dominant.
Règle d'orientation des réactions chimiques
La connaissance des potentiels permet de prédire si une réaction aura lieu. La règle principale du déroulement spontané indique qu'un oxydant fort et un réducteur fort interagissent pour former des produits conjugués faibles. Les électrons se déplacent toujours du système ayant le potentiel le plus bas vers celui ayant le potentiel le plus haut.
Au fur et à mesure du transfert de charges, la concentration des substances actives initiales diminue, leur action s'affaiblit et le système atteint progressivement l'équilibre chimique. Par ailleurs, l'exhaustivité de la réaction dépend directement de la différence des potentiels standard ($\Delta E^\circ$) des deux couples en interaction : plus cette différence est grande, plus la transformation des réactifs initiaux en produits est poussée.
Choix des réactifs à l'aide des tables
Lors de la planification de synthèses en laboratoire ou industrielles, les substances nécessaires sont sélectionnées en se basant sur les tables de potentiels d'électrode standard.
- Pour l'oxydation, on choisit des réactifs situés dans la partie supérieure des tables. Les oxydants puissants typiques comprennent les halogènes, le peroxyde d'hydrogène, l'ozone, les permanganates et les dichromates. Par exemple, pour oxyder le sulfure d'hydrogène en soufre élémentaire, les sels d'étain ne conviennent pas (ils se trouvent plus bas que le soufre dans la table). L'oxygène possède le potentiel requis, mais réagit extrêmement lentement, c'est pourquoi le diiode devient le choix optimal.
- Pour la réduction, on se tourne vers la partie inférieure de la liste. On y trouve les métaux actifs, les sels d'étain(II), le dioxyde de soufre et les sulfites. Ainsi, pour obtenir du bromure à partir d'un bromate, l'utilisation du sulfite de potassium constituera une excellente option, réduisant de manière fiable l'halogène au degré d'oxydation souhaité.
Pour ne pas se tromper de sens : les électrons « tombent » le long de l'échelle des potentiels du bas vers le haut — des valeurs négatives ou faibles vers les plus élevées.
Questions des cours et des examens
Pourquoi la réaction entre les ions fer(III) et les ions chlorure ne se produit-elle pas ?
Le couple du chlore a un potentiel standard supérieur à celui du couple du fer. Le fer(III) s'avère être un oxydant plus faible et n'est pas capable d'arracher des électrons aux ions chlorure ; l'équilibre d'un tel processus est déplacé vers la gauche.
Quel réactif choisir pour réduire l'argent à partir de son nitrate ?
Un composé d'étain divalent conviendra, par exemple le sulfate d'étain(II). C'est un réducteur fort qui s'oxyde facilement en cédant des électrons aux ions argent.
De quoi dépend l'exhaustivité du déroulement d'une réaction d'oxydoréduction ?
Elle dépend de la différence des potentiels standard des couples impliqués. Plus cet écart est grand, plus les substances initiales se transformeront complètement en produits avant l'atteinte de l'équilibre chimique.
À étudier également sur le sujet
- L'équation de Nernst et l'influence de la concentration sur le potentiel
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