Karamö, le prof virtuelLeçon 5 sur 26
Notions sur l'oxydoréduction
Je sais reconnaître une oxydation et une réduction par le gain ou la perte d'oxygène, nommer l'oxydant et le réducteur, et exploiter l'équation d'une oxydoréduction.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir l'oxydation et la réduction à partir de l'échange d'oxygène
- Décrire et interpréter la réduction de l'oxyde de cuivre par le carbone
- Identifier l'oxydant et le réducteur dans une équation
- Équilibrer une équation d'oxydoréduction et calculer des masses de réactifs et de produits
Avant de commencer : Écrire et équilibrer une équation chimique ; la mole, la masse molaire et le volume molaire (9e) ; la combustion du carbone et le test du dioxyde de carbone à l'eau de chaux.
1Je découvre
Dans un atelier de Kouroussa, Lansana regarde le forgeron travailler. Au fond du foyer, le charbon de bois rougeoie, et le soufflet fait jaillir des étincelles. Le forgeron y plonge une vieille pièce de fer couverte d'une couche noire et de taches rouille, puis la frappe sur l'enclume.
Il raconte à Lansana que, dans l'ancien temps, les forgerons mandingues fabriquaient eux-mêmes leur fer : ils chauffaient très fort des pierres rouges riches en fer avec beaucoup de charbon de bois, dans des fourneaux en terre. Du métal sortait de ces pierres.
Lansana est intrigué. Quand un morceau de fer reste dehors, il se couvre de rouille : il « se combine » avec l'air. Et dans le fourneau, c'est l'inverse : la pierre rouge redevient du métal. Quel rôle joue le charbon ?
Que se passe-t-il quand un corps gagne ou perd de l'oxygène, et pourquoi le charbon permet-il d'obtenir un métal à partir de son oxyde ?
2Je comprends
1. L'oxydation : un gain d'oxygène
Tu as vu en 9e que beaucoup de métaux et de non-métaux réagissent avec le dioxygène de l'air.
- Un ruban de magnésium brûle dans l'air avec une flamme blanche éblouissante et donne une poudre blanche, l'oxyde de magnésium : 2Mg + O2 → 2MgO.
- La laine de fer chauffée brûle dans le dioxygène en donnant de l'oxyde magnétique de fer : 3Fe + 2O2 → Fe3O4.
- Le carbone (charbon) brûle en donnant du dioxyde de carbone : C + O2 → CO2.
- Le cuivre chauffé à l'air se couvre d'une couche noire d'oxyde de cuivre II : 2Cu + O2 → 2CuO.
Dans tous ces cas, un corps se combine avec l'oxygène. Le produit formé est un oxyde : un composé formé d'oxygène et d'un autre élément.
Oxydation : réaction au cours de laquelle un corps gagne de l'oxygène. On dit que ce corps est oxydé.
L'oxydation peut être vive (combustion, avec flamme et forte chaleur) ou lente (la formation de la rouille, qui prend des jours ou des mois).
2. La réduction : une perte d'oxygène
Faisons l'expérience inverse : essayons d'enlever l'oxygène d'un oxyde.
- 1Mélanger intimement de l'oxyde de cuivre II (poudre noire) et du carbone en poudre.
- 2Placer le mélange dans un tube à essai muni d'un tube à dégagement plongeant dans de l'eau de chaux.
- 3Chauffer fortement le mélange avec un bec Bunsen.
- 4Observer : l'eau de chaux se trouble ; il reste dans le tube un solide rouge brillant.
- 5Conclure : du dioxyde de carbone s'est formé et du cuivre métallique est apparu.
Le trouble de l'eau de chaux prouve la formation de dioxyde de carbone CO2. Le solide rouge est du cuivre Cu. L'équation-bilan est :
2CuO + C → 2Cu + CO2
L'oxyde de cuivre a perdu son oxygène : il a été réduit en cuivre.
Réduction : réaction au cours de laquelle un corps perd de l'oxygène. On dit que ce corps est réduit.
3. Les deux vont ensemble : l'oxydoréduction
Regarde bien la réaction précédente : l'oxygène perdu par l'oxyde de cuivre n'a pas disparu, il a été gagné par le carbone, qui est devenu CO2. Donc, dans la même réaction :
- l'oxyde de cuivre est réduit (il perd de l'oxygène) ;
- le carbone est oxydé (il gagne de l'oxygène).
Une réduction s'accompagne toujours d'une oxydation. On appelle oxydoréduction une réaction où se produisent en même temps une oxydation et une réduction.
- Le réducteur est le corps qui prend l'oxygène (il réduit l'autre et il est lui-même oxydé). Réducteurs courants : le carbone C, le monoxyde de carbone CO, le dihydrogène H2, l'aluminium Al.
- L'oxydant est le corps qui cède l'oxygène (il oxyde l'autre et il est lui-même réduit). Oxydants courants : les oxydes métalliques (CuO, Fe2O3, PbO…) et le dioxygène O2.
- Gain d'oxygène
- Subie par le réducteur
- C devient CO₂
- Exemple : le fer rouille
- Perte d'oxygène
- Subie par l'oxydant
- CuO devient Cu
- Exemple : on extrait un métal de son oxyde
4. D'autres exemples d'oxydoréduction
| Équation | Oxydant (réduit) | Réducteur (oxydé) |
|---|---|---|
| CuO + H2 → Cu + H2O | CuO | H2 |
| Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 | Fe2O3 | CO |
| Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3 | Fe2O3 | Al |
| 2PbO + C → 2Pb + CO2 | PbO | C |
La deuxième réaction a lieu dans les hauts fourneaux qui produisent la fonte. La troisième, l'aluminothermie, dégage tellement de chaleur que le fer obtenu est liquide : on l'utilise pour souder les rails de chemin de fer. Et les fourneaux traditionnels des forgerons fonctionnaient sur le même principe : le carbone du charbon de bois (et le monoxyde de carbone qu'il produit) enlève l'oxygène du minerai de fer.
Méthode
Pour analyser une oxydoréduction :
- J'écris l'équation et je l'équilibre (même nombre d'atomes de chaque élément de chaque côté).
- Je repère le corps qui perd de l'oxygène : c'est l'oxydant, il est réduit.
- Je repère le corps qui gagne de l'oxygène : c'est le réducteur, il est oxydé.
- Pour un calcul : je convertis la masse connue en moles (n = m / M), j'utilise les coefficients de l'équation, puis je reconvertis en masse (m = n × M) ou en volume (V = n × Vm).
Exemple
Identifier l'oxydant et le réducteur dans Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂, et vérifier l'équilibre.
Fe₂O₃ perd ses 3 atomes d'oxygène et devient Fe : c'est l'oxydant, il est réduit.
Chaque CO gagne un atome d'oxygène et devient CO₂ : CO est le réducteur, il est oxydé.
Vérification : à gauche, Fe : 2 ; O : 3 + 3 = 6 ; C : 3. À droite, Fe : 2 ; C : 3 ; O : 3 × 2 = 6. L'équation est équilibrée.
Exemple
On réduit 7,95 g d'oxyde de cuivre II par le carbone. Quelle masse de carbone faut-il ? Quelle masse de cuivre obtient-on ? (Cu = 63,5 ; O = 16 ; C = 12)
Équation : 2 CuO + C → 2 Cu + CO₂.
M(CuO) = 63,5 + 16 = 79,5 g/mol ; n(CuO) = 7,95 / 79,5 = 0,100 mol.
D'après les coefficients : n(C) = n(CuO) / 2 = 0,050 mol ; n(Cu) = n(CuO) = 0,100 mol.
m(C) = 0,050 × 12 = 0,60 g.
m(Cu) = 0,100 × 63,5 = 6,35 g.
Contrôle par la conservation de la masse : n(CO₂) = 0,050 mol, m(CO₂) = 0,050 × 44 = 2,2 g. Réactifs : 7,95 + 0,60 = 8,55 g ; produits : 6,35 + 2,2 = 8,55 g. Juste.
5. Pourquoi c'est important
L'oxydation explique l'usure des métaux (rouille du fer, ternissement du cuivre) et la combustion des carburants. La réduction permet d'extraire les métaux de leurs minerais, qui sont très souvent des oxydes : c'est la base de la métallurgie, que tu étudieras dans les leçons suivantes. Dans la leçon suivante, tu verras aussi une définition plus générale de l'oxydoréduction, fondée sur les électrons.
3Je retiens
Je retiens
Oxydation : gain d'oxygène. Réduction : perte d'oxygène.
Un oxyde est un composé formé d'oxygène et d'un autre élément (CuO, Fe₂O₃, CO₂).
Oxydoréduction : réaction où une oxydation et une réduction ont lieu en même temps.
Le réducteur prend l'oxygène : il est oxydé (C, CO, H₂, Al). L'oxydant cède l'oxygène : il est réduit (CuO, Fe₂O₃).
Exemple type : 2 CuO + C → 2 Cu + CO₂ (le CO₂ trouble l'eau de chaux, le cuivre est rouge).
Calculs : n = m / M, coefficients de l'équation, puis m = n × M ou V = n × Vm.
4Erreurs fréquentes
- Dire que le réducteur est réduit : c'est l'inverse. Le réducteur réduit l'autre corps et il est lui-même oxydé.
- Parler d'oxydation seule dans la réduction de CuO par le carbone : il y a toujours les deux à la fois.
- Oublier d'équilibrer l'équation avant de calculer : avec CuO + C → Cu + CO₂ (non équilibrée), on trouve une masse de carbone fausse.
- Utiliser les coefficients sur les masses : ce sont les quantités de matière (en moles) qui sont proportionnelles aux coefficients, pas les masses.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie et complète : « Au cours d'une ……, un corps gagne de l'oxygène. Au cours d'une ……, un corps perd de l'oxygène. Le corps qui cède son oxygène est l'…… ; celui qui le prend est le …… . »
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« Au cours d'une oxydation, un corps gagne de l'oxygène. Au cours d'une réduction, un corps perd de l'oxygène. Le corps qui cède son oxygène est l'oxydant ; celui qui le prend est le réducteur. »
2Exercice 2
Équilibre les équations suivantes et dis s'il s'agit d'une oxydation seule ou d'une oxydoréduction entre deux réactifs dont l'un cède son oxygène.
a) Al + O2 → Al2O3
b) CuO + H2 → Cu + H2O
c) PbO + C → Pb + CO2
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a) 4Al + 3O2 → 2Al2O3 (Al : 4 = 2 × 2 ; O : 3 × 2 = 6 = 2 × 3). C'est une oxydation de l'aluminium par le dioxygène (l'oxydant est le dioxygène, pas un oxyde).
b) CuO + H2 → Cu + H2O : déjà équilibrée. Oxydoréduction : CuO cède son oxygène à H2.
c) 2PbO + C → 2Pb + CO2 (Pb : 2 ; O : 2 ; C : 1). Oxydoréduction : PbO cède son oxygène au carbone.
3Exercice 3
Dans la réaction Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3 :
a) Quel corps est oxydé ? Quel corps est réduit ?
b) Quel est l'oxydant ? Quel est le réducteur ?
c) Donne une utilisation de cette réaction.
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a) L'aluminium gagne de l'oxygène (il devient Al2O3) : il est oxydé. L'oxyde de fer III perd son oxygène (il devient Fe) : il est réduit.
b) L'oxydant est Fe2O3 ; le réducteur est Al.
c) C'est l'aluminothermie : elle sert à souder les rails de chemin de fer, car le fer obtenu est liquide.
4Exercice 4
On brûle 2,4 g de magnésium dans l'air. On donne Mg = 24 ; O = 16 ; volume molaire Vm = 22,4 L/mol.
a) Écris l'équation de la combustion.
b) Calcule la masse d'oxyde de magnésium obtenue.
c) Calcule le volume de dioxygène consommé.
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a) 2Mg + O2 → 2MgO.
b) n(Mg) = 2,424 = 0,10 mol. D'après l'équation, n(MgO) = n(Mg) = 0,10 mol. M(MgO) = 24 + 16 = 40 g/mol ; m(MgO) = 0,10 × 40 = 4,0 g.
c) n(O2) = n(Mg)2 = 0,050 mol ; V(O2) = 0,050 × 22,4 = 1,12 L.
5Exercice 5
(Type BEPC) Mamadou chauffe un mélange de 15,9 g d'oxyde de cuivre II et de carbone en poudre. Le gaz dégagé trouble l'eau de chaux. On donne : Cu = 63,5 ; O = 16 ; C = 12 ; Vm = 22,4 L/mol.
a) Quel est le gaz dégagé ? Quel solide rouge obtient-on ?
b) Écris l'équation-bilan de la réaction.
c) Précise l'oxydant, le réducteur, le corps oxydé et le corps réduit.
d) Calcule la masse minimale de carbone nécessaire, la masse de cuivre obtenue et le volume de gaz dégagé.
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a) Le gaz qui trouble l'eau de chaux est le dioxyde de carbone CO2. Le solide rouge est le cuivre Cu.
b) 2CuO + C → 2Cu + CO2.
c) L'oxydant est CuO : il cède son oxygène, il est réduit. Le réducteur est C : il prend l'oxygène, il est oxydé.
d) M(CuO) = 79,5 g/mol ; n(CuO) = 15,979,5 = 0,200 mol.
n(C) = 0,2002 = 0,100 mol ; m(C) = 0,100 × 12 = 1,2 g.
n(Cu) = 0,200 mol ; m(Cu) = 0,200 × 63,5 = 12,7 g.
n(CO2) = 0,100 mol ; V(CO2) = 0,100 × 22,4 = 2,24 L.
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6Je vérifie
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