Les méthodes de réduction des oxydes
Les méthodes de réduction des oxydes
Réduire un oxyde, c'est lui « voler » son oxygène grâce à un corps plus gourmand en oxygène (carbone, aluminium, dihydrogène, monoxyde de carbone) pour récupérer le métal.
Objectifs
- Définir une oxydation, une réduction et un réducteur.
- Décrire la réduction de l'oxyde de cuivre par le carbone et identifier ses produits.
- Connaître les principales méthodes de réduction : par le carbone, par le monoxyde de carbone (haut fourneau), par l'aluminium, par le dihydrogène.
- Écrire et équilibrer l'équation-bilan d'une réduction et utiliser la conservation de la masse.
1. Oxyde, oxydation et réduction
Un oxyde est un corps composé formé d'un élément combiné à l'oxygène. Exemples : l'oxyde de cuivre \(\ce{CuO}\), l'oxyde de fer \(\ce{Fe2O3}\) (présent dans la rouille et dans le minerai de fer), l'alumine \(\ce{Al2O3}\), le dioxyde de carbone \(\ce{CO2}\).
- Une oxydation est une réaction au cours de laquelle un corps gagne de l'oxygène : \(\ce{2Cu + O2 -> 2CuO}\).
- Une réduction est une réaction au cours de laquelle un corps perd de l'oxygène : l'oxyde redevient métal.
- Le réducteur est le corps qui prend l'oxygène de l'oxyde. En le prenant, le réducteur s'oxyde.
Dans une réduction, que se passe-t-il pour l'oxyde ?
2. La réduction de l'oxyde de cuivre par le carbone
Suis l'expérience étape par étape.
On chauffe fortement le mélange noir d'oxyde de cuivre et de carbone.
Un gaz se dégage et trouble l'eau de chaux : c'est la preuve qu'il s'agit de dioxyde de carbone.
Après refroidissement, la poudre noire est devenue rouge-orangé : du cuivre métallique s'est formé.
Bilan de l'expérience :
- Réactifs : l'oxyde de cuivre \(\ce{CuO}\) et le carbone \(\ce{C}\).
- Produits : le cuivre \(\ce{Cu}\) et le dioxyde de carbone \(\ce{CO2}\).
Le bilan s'écrit : oxyde de cuivre + carbone → cuivre + dioxyde de carbone. L'équation-bilan équilibrée est :
\[\ce{2CuO + C -> 2Cu + CO2}\]L'oxyde de cuivre a perdu son oxygène : il est réduit. Le carbone a gagné de l'oxygène : il est oxydé. Le carbone est le réducteur.
Exemple résolu : vérifier l'équilibre de l'équation
Cherche d'abord : l'équation \(\ce{2CuO + C -> 2Cu + CO2}\) est-elle bien équilibrée ?
Exemple résolu : la conservation de la masse
Kofi chauffe \(15{,}9\ \text{g}\) d'oxyde de cuivre avec \(1{,}2\ \text{g}\) de carbone. Les deux réactifs disparaissent entièrement et il se forme \(4{,}4\ \text{g}\) de dioxyde de carbone. Quelle masse de cuivre obtient-il ?
Voir la solution
Au cours d'une réaction chimique, la masse totale se conserve (loi de Lavoisier) :
\[m_{\ce{CuO}} + m_{\ce{C}} = m_{\ce{Cu}} + m_{\ce{CO2}}\] \begin{align} m_{\ce{Cu}} &= m_{\ce{CuO}} + m_{\ce{C}} - m_{\ce{CO2}}\\ &= 15{,}9\ \text{g} + 1{,}2\ \text{g} - 4{,}4\ \text{g}\\ &= 12{,}7\ \text{g} \end{align}Kofi obtient \(12{,}7\ \text{g}\) de cuivre.
Dans la réaction \(\ce{2CuO + C -> 2Cu + CO2}\), quel est le réducteur ?
Quel test montre que le gaz dégagé est du dioxyde de carbone ?
3. Les autres méthodes de réduction
Tous les réducteurs suivent la même idée : ils sont plus « gourmands » en oxygène que le métal de l'oxyde.
a) Par le monoxyde de carbone : le haut fourneau
Dans un haut fourneau, on verse du minerai de fer et du coke (presque du carbone pur), puis on souffle de l'air chaud. Le coke brûle et forme du monoxyde de carbone \(\ce{CO}\), qui réduit l'oxyde de fer :
\[\ce{Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2}\]Le fer obtenu, encore chargé de carbone, s'appelle la fonte ; on le transforme ensuite en acier.
flowchart LR A[Minerai de fer et coke] --> B[Air chaud souffle] B --> C[Le coke forme du CO] C --> D[Le CO prend l oxygene du minerai] D --> E[Fonte liquide] E --> F[Acier]
b) Par l'aluminium : l'aluminothermie
L'aluminium est un réducteur très puissant. Mélangé à de l'oxyde de fer et enflammé, il produit une réaction très violente et très chaude qui donne du fer fondu :
\[\ce{Fe2O3 + 2Al -> 2Fe + Al2O3}\]Cette méthode sert par exemple à souder les rails de chemin de fer sur place.
c) Par le dihydrogène
Le dihydrogène \(\ce{H2}\) chauffé avec de l'oxyde de cuivre donne du cuivre et de la vapeur d'eau :
\[\ce{CuO + H2 -> Cu + H2O}\]Avantage : le seul autre produit est de l'eau.
d) Par l'électricité : l'électrolyse
Pour certains oxydes très « accrochés » à leur oxygène, comme l'alumine \(\ce{Al2O3}\), le carbone ne suffit pas. On utilise alors le courant électrique (électrolyse de l'alumine fondue) pour obtenir l'aluminium.
Exemple résolu : équilibrer une équation de réduction
Cherche d'abord : équilibre l'équation de la réduction de l'oxyde de fer par l'aluminium \(\ce{Fe2O3 + Al -> Fe + Al2O3}\).
Dans le haut fourneau, quel corps réduit l'oxyde de fer ?
Quels sont les produits de la réaction entre l'oxyde de cuivre et le dihydrogène ?
Erreurs fréquentes
Récapitulatif
- Un oxyde est un corps composé contenant de l'oxygène ; les minerais contiennent des oxydes métalliques.
- Réduire un oxyde, c'est lui retirer son oxygène pour obtenir le métal ; le corps qui prend l'oxygène est le réducteur et il s'oxyde.
- Méthodes : carbone (\(\ce{2CuO + C -> 2Cu + CO2}\)), monoxyde de carbone dans le haut fourneau (\(\ce{Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2}\)), aluminium (\(\ce{Fe2O3 + 2Al -> 2Fe + Al2O3}\)), dihydrogène (\(\ce{CuO + H2 -> Cu + H2O}\)), électrolyse pour l'aluminium.
- Une équation-bilan doit être équilibrée et la masse totale se conserve.
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