Couples oxydant/réducteur et demi-équations

Introduction

Les réactions d'oxydo-réduction sont omniprésentes dans notre quotidien : la corrosion du fer, la combustion du bois, le fonctionnement des piles et batteries, ou encore la respiration cellulaire. Toutes ces transformations reposent sur un même principe fondamental : le transfert d'électrons entre espèces chimiques. Pour écrire et comprendre ces réactions, il faut d'abord maîtriser les notions de couple oxydant/réducteur et savoir écrire les demi-équations électroniques.

Section 1 — Oxydant, réducteur et couple Ox/Réd

Définitions fondamentales

Un oxydant est une espèce chimique capable de capter (gagner) un ou plusieurs électrons. Lors de ce gain d'électrons, l'oxydant subit une réduction : son degré d'oxydation diminue.

Un réducteur est une espèce chimique capable de céder (perdre) un ou plusieurs électrons. En cédant ses électrons, le réducteur subit une oxydation : son degré d'oxydation augmente.

Moyen mnémotechnique : le réducteur « réduit » l'oxydant en lui donnant des électrons.

Le couple oxydant/réducteur

Un oxydant et un réducteur liés par un échange d'électrons forment un couple oxydant/réducteur, noté $Ox/Réd$. Les deux espèces du couple diffèrent uniquement par leur nombre d'électrons : elles correspondent au même élément chimique à deux degrés d'oxydation différents.

Exemples de couples courants :

Couple $Ox/Réd$	Oxydant	Réducteur
$Cu^{2+}/Cu$	$Cu^{2+}$	$Cu$
$Fe^{3+}/Fe^{2+}$	$Fe^{3+}$	$Fe^{2+}$
$Zn^{2+}/Zn$	$Zn^{2+}$	$Zn$
$I_2/I^-$	$I_2$	$I^-$
$MnO_4^-/Mn^{2+}$	$MnO_4^-$	$Mn^{2+}$

Dans chaque couple, l'oxydant est l'espèce la plus oxydée (degré d'oxydation le plus élevé) et le réducteur est l'espèce la plus réduite.

Section 2 — Demi-équations électroniques

Principe

Chaque couple $Ox/Réd$ est associé à une demi-équation électronique qui décrit la transformation de l'oxydant en réducteur (réduction) ou inversement (oxydation) :

• Réduction (gain d'électrons) : $Ox + ne^- \to Réd$
• Oxydation (perte d'électrons) : $Réd \to Ox + ne^-$

Exemples simples :

$$Cu^{2+} + 2e^- \to Cu \quad \text{(réduction)}$$

$$Zn \to Zn^{2+} + 2e^- \quad \text{(oxydation)}$$

Méthode d'équilibrage en milieu acide

Pour les couples comportant des atomes d'oxygène ou d'hydrogène, l'équilibrage nécessite une méthode rigoureuse en quatre étapes :

1. Équilibrer les éléments autres que $O$ et $H$ (en ajustant les coefficients stœchiométriques)
2. Équilibrer l'oxygène en ajoutant des molécules d'eau $H_2O$ du côté déficitaire en $O$
3. Équilibrer l'hydrogène en ajoutant des ions $H^+$ du côté déficitaire en $H$
4. Équilibrer les charges en ajoutant des électrons $e^-$ du côté le plus positif

Exemple détaillé : couple $MnO_4^-/Mn^{2+}$

Écrivons la demi-équation de réduction de l'ion permanganate $MnO_4^-$ en ion manganèse $Mn^{2+}$ :

Étape 1 — Éléments : Le manganèse est déjà équilibré (1 de chaque côté).

$$MnO_4^- \to Mn^{2+}$$

Étape 2 — Oxygène : 4 atomes de $O$ à gauche, 0 à droite → on ajoute $4H_2O$ à droite.

$$MnO_4^- \to Mn^{2+} + 4H_2O$$

Étape 3 — Hydrogène : 0 atomes de $H$ à gauche, 8 à droite → on ajoute $8H^+$ à gauche.

$$MnO_4^- + 8H^+ \to Mn^{2+} + 4H_2O$$

Étape 4 — Charges : À gauche : $(-1) + 8(+1) = +7$. À droite : $+2$. Différence : $7 - 2 = 5$ → on ajoute $5e^-$ à gauche.

$$MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \to Mn^{2+} + 4H_2O$$

Vérification : Charges : $-1 + 8 - 5 = +2$ à gauche, $+2$ à droite ✓. Éléments : $Mn$ (1=1), $O$ (4=4), $H$ (8=8) ✓.

Section 3 — Applications

Exercice résolu : couple $Cr_2O_7^{2-}/Cr^{3+}$

Écrire la demi-équation de réduction du dichromate $Cr_2O_7^{2-}$ en $Cr^{3+}$ en milieu acide.

Étape 1 : 2 atomes de $Cr$ à gauche → on met un coefficient 2 devant $Cr^{3+}$.

$$Cr_2O_7^{2-} \to 2Cr^{3+}$$

Étape 2 : 7 atomes de $O$ à gauche → on ajoute $7H_2O$ à droite.

$$Cr_2O_7^{2-} \to 2Cr^{3+} + 7H_2O$$

Étape 3 : 14 atomes de $H$ à droite → on ajoute $14H^+$ à gauche.

$$Cr_2O_7^{2-} + 14H^+ \to 2Cr^{3+} + 7H_2O$$

Étape 4 : Charges à gauche : $-2 + 14 = +12$. Charges à droite : $2 \times (+3) = +6$. Différence : $12 - 6 = 6$ → on ajoute $6e^-$ à gauche.

$$Cr_2O_7^{2-} + 14H^+ + 6e^- \to 2Cr^{3+} + 7H_2O$$

Vérification : Charges : $-2 + 14 - 6 = +6$ à gauche, $+6$ à droite ✓.

Identifier l'oxydant et le réducteur d'un couple

Pour identifier les rôles dans un couple, on regarde le sens de la demi-équation :

• L'espèce qui apparaît avec les électrons du même côté (qui les capte) est l'oxydant
• L'espèce qui libère les électrons est le réducteur

Par exemple, dans le couple $Fe^{3+}/Fe^{2+}$ :

$$Fe^{3+} + e^- \to Fe^{2+}$$

$Fe^{3+}$ capte un électron → c'est l'oxydant. $Fe^{2+}$ peut céder un électron → c'est le réducteur.

À retenir

• Un oxydant capte des électrons (il est réduit) ; un réducteur cède des électrons (il est oxydé).
• Un couple Ox/Réd relie deux formes d'un même élément à deux degrés d'oxydation différents.
• La demi-équation électronique s'équilibre en 4 étapes : éléments, $O$ avec $H_2O$, $H$ avec $H^+$, charges avec $e^-$.
• Les couples courants ($Cu^{2+}/Cu$, $Zn^{2+}/Zn$, $MnO_4^-/Mn^{2+}$) sont à connaître pour les exercices de Première.

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