Première partie de l'expérience

Première partie de l'expérience : la réaction entre le ferricyanure de potassium et le peroxyde d'hydrogène

Cette réaction entre le peroxyde d'hydrogène et le ferricyanure de potassium s'effectue entre deux couples de redox, comportant chacun un oxydant et un réducteur. Il s'agit d'une réaction d'oxydo-réduction.

Réaction d'oxydo-réduction

Une réaction d'oxydo-réduction s'effectue entre deux couples de rédox. Commençons d'abord par déterminer ce qu'est un couple de rédox : il est composé d'un oxydant et d'un réducteur, et noté Ox/Red. Lors d'une réaction chimique l'oxydant peut recevoir des électrons et le réducteur peut en donner. Chaque couple de rédox possède sa semi-équation électronique sous la forme :

Ox+ ne- = Red où ne- est le nombre d'électrons qu'il faut ajouter à l'oxydant pour obtenir le réducteur. Une réaction d'oxydo-réduction est donc un échange d'électrons entre deux couples de rédox. Pour déterminer le sens de la réaction, c'est à dire le sens dans lequel les électrons vont être échangés entre les deux couples, on utilise la règle du Gamma.

La règle du Gamma

La règle du Gamma dit que lors d'une réaction d'oxydo-réduction, l'échange d'électron s'effectue entre le plus grand oxydant des deux couples, celui qui peut recevoir le plus d'électrons, et le plus grand réducteur des deux couples celui qui peut donner le plus. Pour déterminer lequel des deux oxydants est le plus fort on regarde le potentiel standard des deux couples, en Volt, noté E°. Le couple possédant le plus grand potentiel standard possède également le plus grand oxydant. A l'inverse, celui au plus petit potentiel standard comporte le plus grand réducteur. L'équation bilan de la réaction correspond à l'addition des deux demi-équations électroniques, on obtient donc :

plus grand réducteur + plus grand oxydant = plus petit réducteur + plus petit oxydant

Application de la règle du Gamma à notre expérience

L'image à droite est l'application de la règle du gamma à notre expérience.

Déterminons tout d'abord le plus oxydant et le plus grand réducteur des deux couples H2O2 / H2O et O2 / H2O2. Il s'agit d'H2O2 qui se trouve dans les deux couples et qui, dans ce cas, est à la fois le plus grand réducteur et le plus grand oxydant. C'est un cas très particulier, nous ne l'expliquerons donc pas. Si ici on ne mentionne pas le couple [Fe(Cn6)]3- / [Fe(Cn6)]4- c'est car il s'agit du catalyseur de la réaction, réaction qui serait trop lente sans, il ne joue donc pas le même rôle que les autres couples.

A partir de la formule vue précédemment (en rouge), on peut déterminer l'équation bilan de la réaction d'oxydo-réduction :

2H2O2 = 2H2O + O2.

Nous allons maintenant expliquer par le calcul comment nous obtenons cette équation, en additionnant les semi-équations électroniques de tous les couples de rédox. Déterminons tout d'abord les semi-équations électroniques des couples de rédox en incluant [Fe(Cn6)]3- / [Fe(Cn6)]4- :

H2O2/H2O : H2O2 + 2H+ + 2e- = 2H2O

O2/H2O2 : O2 + 2H+ + 2e- = H2O2

[Fe(Cn6)]3-/[Fe(Cn6)]4- : [Fe(Cn6)]3- + e- = [Fe(Cn6)]4-

Si on peut ajouter des ions hydrogènes (H+) et des électrons (e-) c'est parce que dans une équation en milieu aqueux, on ajoute des ions hydrogènes et des électrons pour équilibrer l'équation.

A partir de ces trois semi-équations électroniques, nous allons déterminer l'équation bilan de la réaction. Commençons tout d'abord par réaliser l'équation bilan de la réaction entre H2O2/H2O et [Fe(Cn6)]3- / [Fe(Cn6)]4- :

H2O2 + 2H+ + 2e- = 2H2O

([Fe(Cn6)]4-)*2 = ([Fe(Cn6)]3- + e-)*2

= H2O2 + 2H+ +2e- +2[Fe(Cn6)]4- = 2H2O + 2[Fe(Cn6)]3- +2e-

= H2O2 + 2H+ +2[Fe(Cn6)]4- = 2H2O + 2[Fe(Cn6)]3-

(on peut supprimer les électrons car ils sont présents des deux côtés de l'équation)

Il faut ensuite réaliser l'équation bilan entre O2/H2O2 et [Fe(Cn6)]3- / [Fe(Cn6)]4- :

H2O2 = O2 + 2H+ + 2e-

([Fe(Cn6)]3- + e-)*2 = ([Fe(Cn6)]4-)*2

= H2O2 + 2[Fe(Cn6)]3- = O2 + 2H+ + 2[Fe(Cn6)]4-

Pour finir, on effectue l'addition des deux équations bilan pour obtenir l'équation bilan de la réaction :

H2O2 + 2H+ +2[Fe(Cn6)]4- = 2H2O + 2[Fe(Cn6)]3-

H2O2 + 2[Fe(Cn6)]3- = O2 + 2H+ + 2[Fe(Cn6)]4-

= 2H2O2 + 2H+ +2[Fe(Cn6)]4- + 2[Fe(Cn6)]3- = 2H2O + 2[Fe(Cn6)]3- + O2 + 2H+ + 2[Fe(Cn6)]4-

= 2H2O2 = 2H2O + O2 (on a supprimé tout ce qui se trouvait des deux côtés de l'équation.)

Si cette première partie de l'expérience est si importante c'est parce que la réaction entre le peroxyde d'hydrogène et le ferricyanure de potassium permet de créer du dioxygène, indispensable à la deuxième partie de l'expérience et donc à la création de chimiluminescence.

Illustration de la règle du Gamma pour deux couples de rédox Ox2/Red2 et Ox1/Red1

Application de la règle du gamma à notre expérience.