Prévision d'une réaction d'oxydo-réduction

1. Règle du gamma

Lorsque les couples redox sont classés par potentiel, il est alors possible de prévoir le sens d'une réaction d'oxydo-réduction en utilisant la règle du "gamma". Cette réaction ne peut se produire qu'entre l'oxydant du couple dont le potentiel est le plus élevé, et le réducteur de l'autre couple. Dans cet exemple, les couples cu²⁺ / Cu, et Zn²⁺ / Zn, ont respectivement les potentiels E⁰ = 0,342 V et E⁰ = -0,762 V. Les réactifs sont donc l'ion Cu2+ et le métal zinc. Les produits obtenus sont l'ion Zn²⁺ et le métal cuivre.

2. Tableau de quelques potentiels standards

3. Exemple

Action de l'acide chlorhydrique sur de l'aluminium
Une masse de 0,27 g d'aluminum en poudre est versé dans un volume de 50 mL d'acide chlorhydrique (H⁺(aq) + Cl^-(aq)) de concentration c = 1,00 mol·L^-1. Des ions Al³⁺(aq) se forment, et du dihydrogène (H₂(g)) se dégage.
1) Quels sont les couples redox impliqué dans cette réaction ?
2) Ecrire les demi-équations.
3) Ecrire l'équation complète de cette réaction d'oxydo-réduction.
4) Quel est ici l'oxydant ? et le réducteur ?
5) Complèter le tableau d'avancement ci-dessous :

En déduire la composition finale en quantité de matière du système étudié.
6) Quel est le volume de gaz obtenu dans les conditions normales de température et de pression ?

Données : M(Al) = 27,0 g·mol^-1, et Vm = 24 L

Correction :
1) Couples redox impliqués :   H⁺(aq) / H₂(g)   et   Al³⁺(aq) / Al
2) Ecriture des demi-équations :

• 2H⁺(aq) + 2e^- = H₂(g)
• Al³⁺(aq) + 3e^- = Al

3) Ecriture de l'équation complète : Multiplions par 3 la première équation, et par 2 la deuxième que nous retournons pour mettre le réactif à gauche. Ajoutons ces demi-équations ensemble, on obtient alors :

• 6H⁺(aq) + 6e^- + 2Al   →   3H₂(g) + 2Al³⁺(aq) + 6e^-

Soit après simplification :

• 6H⁺(aq) + 2Al   →   3H₂(g) + 2Al³⁺(aq)

4) L'oxydant est celui qui capture les électrons, c'est donc l'ion H⁺.
    Le réducteur est celui qui perd des électrons, c'est donc l'aluminium.

5) Tableau d'avancement

Calculons la quantité de matière d'ion H⁺ :   n(H⁺) = c(H⁺) × V = 1 × 0,050 = 0,050 mol.
Calculons la quantité de matière d'atome d'aluminium :   n(Al) = m(Al) / M(Al) = 0,27 / 27,0 = 0,01 mol

• Si les ions H⁺ venaient a disparaitre, alors x_max = n(H⁺) / 6 = 0,050 / 6 = 8,33 × 10^-3 mol.
• Si les atomes d'aluminium venaient a disparaitre, alors x_max = n(Al) / 2 = 0,01 / 2 = 5 × 10^-3 mol.

La valeur x_max est la plus petite avec l'aluminium. C'est donc l'aluminium qui est le réactif limitant.
Par conséquent on choisira x_max = 5 × 10^-3 mol. Les quantités de matière finale seront alors :

• n(H⁺) = 0,050 - 6 × 5 × 10^-3 = 0,02 mol.
• n(Al) = 0 mol (réactif limitant).
• n(H₂) = 3 × 5 × 10^-3 = 0,015 mol.
• n(Al³⁺) = 2 × 5 × 10^-3 = 0,01 mol.

6) V = n × Vm = 0,015 × 24 = 0,36 L = 360 mL de dihydrogène.