chimie 5 Oxydo-réduction : Aspect cinétique
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chimie 5 Oxydo-réduction : Aspect cinétique
Lycée Jean Bart MP chimie 5 : Oxydo-réduction, aspect cinétique 1 chimie 5 Oxydo-réduction : Aspect cinétique I) Aspect cinétique de la réaction : 1) Vitesse de réaction : La connaissance des diagrammes potentiel-pH ne permet pas de déterminer si la réaction est cinétiquement rapide ou non comme dans le cas des couples faisant intervenir l'eau qui peuvent être rapide (H+ sur le fer) ou très lente (O2 sur l'aluminium). On cherche à déterminer la vitesse de réaction à l'aide du transfert d'électrons qui s'effectue au cours de celle-ci ; on mesure pour cela l'intensité du courant qui circule entre les deux électrodes en fonction de la différence de potentiel entre les deux couples. On étudie la réaction électrochimique au contact de l'électrode ν1Ox1 + ne − = ν'1 Re d1 On définit : la vitesse de réduction vred = − la vitesse d'oxydation vox = d'où la vitesse globale : v = 1 ∂[Ox1 ] 1 ∂[Re d1] = ν1 ∂t →red ν'1 ∂t →red 1 ∂[Ox1 ] 1 ∂[Re d1 ] =− ν1 ∂t →ox ν'1 ∂t →ox dξ = v red − v ox dt Par convention on considère la vitesse d'oxydation positive. Cela se traduit par un transfert d'électron de la solution vers l'électrode et donc un courant positif dans le sens électrode vers solution (voir schéma ci-contre) 2) Intensité : ** I > 0 On a la réaction ν'1 Re d1 → ν1Ox1 + ne − on a donc une réaction d'oxydation et l'électrode est une anode. Lycée Jean Bart MP chimie 5 : Oxydo-réduction, aspect cinétique 2 ** I < 0 On a la réaction ν1Ox1 + ne − → ν'1 Re d1 on a donc une réaction de réduction et l'électrode est une cathode. Pendant la durée dt, le nombre d'électrons mis en jeu correspondant à l'avancement élémentaire dξ de la réaction d'oxydoréduction correspondant à un échange de n électrons est n dξ , d'où la charge dq = -e N n dξ dq = - n dq =-n dt ⇒ I= ⇒ I = Iox - Ired F F dξ =n dt soit en utilisant le Faraday F=eN = 96500 C dξ F ( vox - vred ) La réaction correspond à une oxydation pour I > 0. 3) Facteurs cinétiques : La vitesse de réaction est une fonction de la température (loi de Van't'Hoff), de l'état de la surface des électrodes (nature, dimension, état physique de la surface ...) ainsi que de la vitesse de déplacement des ions dans la solution et le pont salin. Ce déplacement peut avoir plusieurs origines : *** La migration : le passage du courant introduit dans la solution un déplacement des ions dans le même sens que le courant pour les cations et en sens inverse pour les anions . La vitesse de déplacement des ions est pratiquement proportionnelle à l'intensité du courant qui traverse la solution. *** La convection : déplacement des ions du à l'agitation externe du solvant . Celle-ci permet une homogénéisation de la solution et favorise une vitesse de réaction élevée . Une agitation trop violente peut nuire en minimisant le temps de contact entre l'ion et la surface métallique *** La diffusion : les réactions aux électrodes modifient la concentration des ions . Le gradient de concentration induit un déplacement de ceux-ci dans le sens des concentrations r décroissantes (loi de Fick analogue à la loi de Fourrier thermique jn (A i ) = −D.grad([A i ]) ) La diffusion provoque une couche limite à la surface du conducteur au sein de laquelle les concentrations des différents ions évolue en fonction de la distance à l'électrode : On peut prendre l'exemple de la réduction d'un ion métallique en son métal à la surface d'une électrode (cathode) ; la concentration en ion métallique diminue au contact de l'électrode et est donc inférieure à la valeur définie dans la solution. Lycée Jean Bart MP chimie 5 : Oxydo-réduction, aspect cinétique A la surface du conducteur se forme le métal et la concentration en oxydant [ Mn+ ] diminue 3 Dans la solution les concentrations sont uniformes et varient lentement en fonction de l'avancement de la réaction Entre le conducteur et la solution se forme une couche limite dans laquelle la concentration des ions varie (analogie avec le flux thermique conducto-convectif). Le gradient de concentration est fonction du courant qui circule entre l'électrode et la solution ; lorsque le courant augmente la concentration en Mn+ diminue au contact de l'électrode et il existe une limite pour laquelle cette concentration est pratiquement nulle. On a dans ce cas une saturation en courant. Pour caractériser la vitesse de réaction on peut utiliser la notion de courant surfacique. II) Courbes intensité-potentiel : 1) Relevé des courbes : n+ Dans le cas du couple M , on utilise le métal comme M électrode de travail et on mesure le potentiel EMn+ par M rapport à une électrode de référence (électrode au calomel par exemple). Pour faire passer un courant important dans l'électrode de travail on utilise une contre électrode associée à un générateur de tension variable. Le signe de la tension imposée permet de considérer l'électrode de travail comme une cathode ou une anode. On peut tracer i = f EMn+ pour la réduction ( i < 0 ) ou M l'oxydation ( i > 0 ) Lycée Jean Bart MP chimie 5 : Oxydo-réduction, aspect cinétique 4 2) Tracé des courbes : a) Système rapide : Dans le cas d'un système rapide, si la tension est différente du potentiel à vide EOx1 (même légèrement) le courant Re d1 traversant l'électrode prend très rapidement une valeur importante. * si E > EOx1 * si E < EOx1 le courant est positif et on a une oxydation Re d1 le courant est négatif et on a une réduction Re d1 3+ On peut prendre comme exemple les couple Fe 2+ de platine platiné ou les couples Cu Cu et Fe Ag+ Ag 2+ … + ou H H2 en présence d'une électrode Lycée Jean Bart MP chimie 5 : Oxydo-réduction, aspect cinétique 5 b) Système lent : Dans le cas d'un système lent, il faut une différence de potentiel importante pour que la réaction à l'électrode se produise. On définit la surtension anodique Ea comme la et le potentiel différence de potentiel entre EOx1 Re d1 correspondant à un courant anodique détectable. De même pour la surtension cathodique Ec qui correspond à un courant cathodique détectable. On peut donner comme exemple de couple lent O quelque soit l'électrode 2 . H2O Un couple peut donner une surtension anodique sans surtension cathodique et inversement ainsi que le même couple peut être rapide sur une électrode et lent sur une autre : + exemple du couple H à pH = 0 et la surtension mesurée pour un courant surfacique d'une H2 valeur constante de 1,0 mA.cm-1 et différents métaux comme électrode : métal Ec ( V ) Pt platiné -0,01 rapide Pt poli -0,10 2+ Dans l’exemple ci-dessus le couple Fe Fe -0,40 C -0,50 lent Zn -0,75 Hg -1,40 très lent + est rapide sans surtension. Le couple H est Fe H2 lent dans une solution de KCl de concentration 1 mol.L-1, avec une surtension cathodique de l’ordre de -0,7 V. c) Palier de diffusion : Lycée Jean Bart MP chimie 5 : Oxydo-réduction, aspect cinétique 6 Le phénomène de diffusion provoque un palier de saturation en courant sur les courbes n+ i = f EMn+ . Si on prend un couple M ( exemple M M + ), le palier de diffusion est très net du couple Ag Ag dans le cas de la réduction des ions Mn+ qui doivent migrer vers l'électrode avec une concentration qui décroît et est donc limitée à la valeur nulle. On a une saturation cathodique de 0,22 mA et anodique de – 0,1 mA . On se trouve dans le cas de deux paliers de diffusion car pour l’oxydation comme pour la réduction les ions Fe2+ et Fe3+ doivent migrer. d) Influence du solvant : Le solvant intervient dans le tracé des courbes par le fait que celui-ci peut donner des réactions d’oxydoréductions. On peut prendre pour exemple l’eau qui peut s’oxyder ou se réduire suivant la valeur du potentiel comme sur la courbe ci-dessous : oxydation : 2 H2O(liq) = O2(gaz) + 4 e- +4 H+(aq) réduction : 2 H2O(liq) + 2 e- = H2(g) + OH-(aq) Les limitations en tension sont donc imposées par le solvant qui peut jouer le rôle de réducteur ainsi que celui d’oxydant : on parle dans ce cas pour les courbes intensité-potentiel du mur du solvant. Il faut noter que la position de cette limitation dépend de la nature de l’électrode et la réduction de l’eau, par exemple est très sensible à la nature du métal qui la compose. Lycée Jean Bart MP chimie 5 : Oxydo-réduction, aspect cinétique 7 On peut noter une forte surtension anodique de l’ordre de 0,70 V (par rapport à 0 V du couple) et cathodique de l’ordre de 0,1 V (par rapport à 1,23 V du couple) pour les couples de l’eau. Dans le cas du solvant il n’y a pas, ou alors pour des valeurs très importantes de courants, de palier de saturation car les ions peuvent se former dans la solution sans avoir besoin de migrer. 3) Exploitation des courbes : a) Action des acides sur les métaux : On ne considère uniquement que les acides dont l'anion n'a pas de caractère oxydant et dont + le couple redox est H . H2 Les courbes intensité-potentiel donnent des renseignements sur la cinétique des réactions + d'un acide sur un métal grâce à la valeur de la surtension anodique du couple H en contact H2 avec le métal considéré. Exemple du zinc pour lequel la surtension anodique est de l'ordre de 0,9 V pour Zn pur et de 2+ 0,1 V pour Zn impur . Sachant que le potentiel du couple Zn = - 0,76 V on peut tracer les Zn courbes : La réaction se traduit par un échange identique du nombre d'électrons et donc par une égalité (en valeur absolue) des courants anodique et cathodique. Sur les courbes cela se traduit par une égalité des segments verticaux AEm et BEm où le point Em correspond au potentiel commun des deux couples. La réaction n'est donc possible que si on peut mettre en évidence l'existence de ces courants. On définit le potentiel mixte comme le potentiel de la solution lorsqu’on a égalité entre les courants anodique et cathodique (en valeurs absolues) Lycée Jean Bart MP chimie 5 : Oxydo-réduction, aspect cinétique 8 On peut donc observer que zinc impur peut être attaqué par l'ion H+ alors que le zinc pur ne l'est pas. Dans ce dernier cas la réaction est thermodynamiquement possible mais cinétiquement infiniment lente. Il est à noter que le fait de toucher un métal ne réagissant pas en milieu acide par un autre métal peut provoquer la réaction en abaissant fortement la surtension au contact de l'électrode. Dans le cas ci-contre le plomb n'est pas attaqué en milieu acide mais si on le touche avec un fil de platine, la réaction peut démarrer avec dans le cas présent une cinétique qui reste lente car le courant anodique est faible. L'existence de surtension possible lorsque deux métaux différents sont en contact est à l'origine de nombreux cas de corrosion de pièce métallique qui était à priori à l'abri de toute attaque. b) Cémentation : La cémentation consiste à réduire un cation métallique, pour obtenir le métal correspondant, à l'aide d'un autre métal. L'observation du diagramme ci-contre permet de vérifier que le zinc peut précipiter les ions Cu2+ et Cd2+ alors que les ions Mn2+ restent en solution. La réaction correspondant à la précipitation du cuivre est plus rapide que celle de précipitation du cadmium. III) Application à la corrosion : 1) Définition : La corrosion des métaux correspond à l'ensemble des transformations qui permettent d'obtenir leurs ions correspondants soit en solution (corrosion humide) soit à l'état solide (corrosion sèche). Le phénomène est important industriellement car on estime, dans le cas du fer, que 20 % de la production mondiale est utilisée à compenser les effets de la corrosion. La corrosion peut s’effectuer de deux façons différentes (qui peuvent être simultanées) : • • la corrosion uniforme qui s’effectue à la surface d’un métal dans un milieu réactionnel uniforme ; on peut prendre pour exemple un métal plongé dans une solution aqueuse (eau de mer, acide …) la corrosion différentielle lorsque l’oxydation s’effectue en un point du conducteur et la réduction de l’oxydant en un autre point : il y a donc déplacement d’électrons à l’intérieur du métal pour passer de la zone où il y a oxydation à la zone où il y a réduction. Lycée Jean Bart MP chimie 5 : Oxydo-réduction, aspect cinétique 9 2) Corrosion uniforme : La corrosion uniforme correspond, par exemple, à un métal plongé dans une solution. Dans ce cas le pH de la solution aqueuse est important car il permet de connaître, d’un point de vue thermodynamique le couple oxydant réducteur présent. On peut prendre pour exemple le zinc : potentiel standard Eo à pH = 0 : Zn2 + : -0,76 V Zn Zn(OH)2 : -0,43 V Zn Zn(OH)24− : 0,43 V Zn Pour un pH inférieur à environ 6,5 le couple à prendre en compte est Zn(OH)2 Zn2 + et au delà . On Zn Zn ne prend pas en compte la troisième possibilité pour des pH très élevés (>13,5). 2+ ** pH < 6,5 : dans ce cas les courbes intensité potentiels des couples Zn + et H Zn H2 montrent que dans le cas du zinc pur il n’y a pas attaque (peu utile dans la vie courante où le zinc utilisé n’est pas pur) et que pour le zinc non pur il y a une attaque importante avec des courants cathodiques et anodiques importants, le potentiel à i = 0 A étant faible pour le couple (à pH = 0 , -0,76 V). ** Pour pH > 6,5 le potentiel du couple Zn(OH)2 est un peu plus élevé mais reste toujours Zn négatif (- 0,43 V) et l’attaque peut donc à nouveau se produire avec un courant plus faible que précédemment. L’attaque initiale par les ions H+ présents dans l’eau donne l’hydroxyde de zinc Zn(OH)2 qui est sous forme solide et se dépose sur le métal (segment rouge sur la courbe). L’hydroxyde ne réagissant pas avec l’eau, on obtient un phénomène de passivation que l’on observe sur la Lycée Jean Bart MP chimie 5 : Oxydo-réduction, aspect cinétique 10 courbe intensité-potentiel. Le métal passivé ne réagit plus, ou très lentement grâce à la porosité de l’oxyde. Si on se place dans un milieu fortement oxygéné, la réaction reprend mais à partir de la réduction du dioxygène comme on peut l’observer sur la courbe (segment jaune). On retrouve cette propriété pour un grand nombre de métaux : • le fer est passivé par la formation de Fe2O3, mais l’oxyde est partiellement poreux et l’oxydation, lente, peut attaquer en profondeur le métal. • l’aluminium est passivé par la formation de Al2O3, qui est totalement étanche à l’eau et le dioxygène empêche toute attaque ultérieure. Cela fait de l’aluminium un métal non oxydable à l’air et dans l’eau, donc très utilisé, malgré un potentiel très faible initialement. 3) Corrosion différentielle : On parle de corrosion différentielle lorsque que deux métaux différents (ou plus) sont en contact direct (au niveau d’une soudure, canalisation en cuivre et radiateur en fer…) ou indirect (cuivre et zinc plongeant dans la même solution électrolytique telle que l’eau de mer…). On peut aussi avoir le même métal associé dans une solution de concentration variable ; on parle dans ce cas de pile de concentration. exemple 1 : contact direct on peut prendre comme exemple un boulon en cuivre fixant une tôle en fer Le fer seul (réducteur) ne peut agir sur le cuivre seul (aussi réducteur) même en présence d’eau. En revanche si l’eau est oxygénée, le dioxygène dissous peut servir d’oxydant et réagir avec les métaux. On peut noter que dans le cas de l’association du cuivre avec le fer, le potentiel mixte varie et le courant traversant les métaux est plus Lycée Jean Bart MP chimie 5 : Oxydo-réduction, aspect cinétique 11 important ce qui induit une corrosion plus importante du métal le plus réducteur c'est-àdire ici le fer. Il faut bien remarquer que l’attaque est donc plus importante au niveau de l’association des deux métaux différents comme le montre le schéma ci-dessous et que le boulon va peu à peu se désolidariser de la tôle : exemple 2 : contact indirect Un peut prendre l’exemple du cuivre et du fer associer dans une même solution d’eau salée. En observant les potentiels on remarque que le fer peut réagir pour donner les ions Fe2+ en solution et que l’eau peut se réduire au niveau de l’électrode en cuivre pour donner du duhydrogène. On va donc observer la corrosion du métal le plus réducteur (ici le fer). exemple 3 : pile de concentration par aération différentielle Si on pose une goutte d'eau à la surface d'une plaque de fer préalablement décapée, on observe à la périphérie la formation de OH- (visualisée par la couleur rose de la phénolphtaléine) et une corrosion au centre avec formation de rouille Fe(OH)3. La réaction de réduction du dioxygène s’effectue au niveau de la surface de la goutte où se trouve la concentration la plus importante en gaz dissous. On peut interpréter les Lycée Jean Bart MP chimie 5 : Oxydo-réduction, aspect cinétique 12 observations en considérant un déplacement d'électrons dans le fer vers l'extérieur de la goutte d'eau. Les courbes intensité-potentiel montrent qu'à un potentiel mixte nul il y a possibilité du déplacement des charges dans un milieu conducteur : ** on a une réduction du dioxygène dans les zones riches en O2 avec formation de OHO2 + 2 H2O + 4 e- = 4 OH** on a une oxydation du fer dans les zones pauvres en O2 Fe = Fe2+ + 2 eLe milieu étant conducteur on a migration des ions et on obtient la réaction : Fe2+ + 2 OH- = Fe(OH)2 (solide) L'hydroxyde de fer (II) n'est pas stable en solution aqueuse aérée et se transforme en hydroxyde de fer (III) : 4 Fe(OH)2 (solide) + O2 (aqueux) + 2 H2O = 4 Fe(OH)3 (solide) On peut prendre l'exemple d'un tube planté dans le sol et surmonté par de l'eau de mer. Le sol est recouvert d'une couche de sédiment qui forme un milieu conducteur pauvre en dioxygène (vase). L'eau de mer étant beaucoup plus riche en O2 que la vase, le tube de fer est passivé dans l'eau et l'oxydation du fer s'effectue dans la vase. La vérification de ce type de tubes que l'on rencontre couramment dans les ports nécessite donc de creuser la vase car la portion dans l'eau de mer et dans l'air est peu corrodée. 4) Méthodes de protection : a) Passivation : On a passivation lorsque l'oxyde qui se forme est réfractaire et protège le métal d'un attaque ultérieure; c'est le cas de l'aluminium formant l'alumine Al2O3 ou du zinc qui en présence de l'air contenant du CO2 forme une couche d'hydrogénocarbonate de zinc qui est totalement imperméable à une attaque en profondeur. En revanche le fer forme Fe(OH)3 (solide) qui forme une couche peu dense et poreuse qui permet une continuation, plus lente, de la corrosion. b) Traitement de surface : ** revêtement non métallique : peinture, vernis ... ** électrolyse pour former un oxyde métallique réfractaire (exemple de Al2O3) Lycée Jean Bart MP chimie 5 : Oxydo-réduction, aspect cinétique 13 ** immersion dans un métal fondu : galvanisation ... ** électrolyse pour déposer un métal : chromage, nickelage, zingage ... Si le métal déposé est moins réducteur que le fer en cas de griffes le fer est attaqué. Si le métal déposé est plus réducteur que le fer en cas de griffes le fer n'est pas attaqué. c) Anode sacrificielle : Pour protéger des canalisations enterrées ou des coques de bateaux métalliques on peut placer des blocs formés de métaux moins réducteurs que le fer (zinc ou magnésium)