Objectifs

• Rappeler ce que sont une réduction, un réducteur et un oxydant.
• Écrire et équilibrer les équations de réduction de quelques oxydes métalliques.
• Expliquer le fonctionnement d'un haut fourneau qui produit la fonte puis l'acier.
• Connaître d'autres applications : aluminothermie (soudure des rails), production du zinc et du cuivre.
• Utiliser la conservation de la masse et la proportionnalité dans un calcul.

1. Rappel : réduire un oxyde, c'est lui enlever son oxygène

Notions clés

Un oxyde métallique est un composé formé d'un métal et d'oxygène, comme l'oxyde de cuivre \(\ce{CuO}\) ou l'oxyde de fer \(\ce{Fe2O3}\) (principal constituant de nombreux minerais de fer).

• La réduction d'un oxyde est une réaction chimique au cours de laquelle l'oxyde perd son oxygène.
• Le réducteur est le corps qui prend l'oxygène (carbone, monoxyde de carbone, aluminium, dihydrogène…). En prenant l'oxygène, il est oxydé.
• L'oxydant est le corps qui cède son oxygène : ici, l'oxyde métallique.

Analogie : l'oxyde est comme un ballon tenu par un joueur (le métal). Le réducteur est un joueur plus « fort » qui lui arrache le ballon (l'oxygène). Le métal se retrouve seul, libéré ; le réducteur, lui, repart avec le ballon.

L'expérience de référence : oxyde de cuivre et carbone

Le bilan s'écrit :

\[\ce{2CuO + C -> 2Cu + CO2}\]

Vérifions l'équilibre : à gauche 2 Cu, 2 O et 1 C ; à droite 2 Cu, 1 C et 2 O. Chaque atome est conservé.

2. La sidérurgie : du minerai de fer à l'acier

Le haut fourneau

Le haut fourneau est une grande tour où l'on verse par le haut (le gueulard) un mélange de minerai de fer et de coke (un charbon presque pur en carbone). Par le bas, on souffle de l'air chaud.

Légende toi-même le haut fourneau : Gueulard, Minerai et coke, Air chaud, Laitier, Fonte.

Les réactions dans le haut fourneau

flowchart TD
A[Coke et air chaud] --> B[Le coke brule et chauffe]
B --> C[Formation de monoxyde de carbone]
C --> D[Le monoxyde reduit l oxyde de fer]
D --> E[Fer liquide riche en carbone donc fonte]
E --> F[On retire du carbone donc acier]

Exemple résolu

On admet que \(160\ \text{kg}\) d'oxyde de fer \(\ce{Fe2O3}\) pur donnent \(112\ \text{kg}\) de fer. Quelle masse de fer peut-on obtenir avec \(1\ \text{t}\) (\(1\,000\ \text{kg}\)) de cet oxyde pur ?

3. L'aluminothermie : souder les rails avec une réaction

L'aluminium est un réducteur encore plus « fort » que le carbone. Il arrache l'oxygène de l'oxyde de fer en dégageant énormément de chaleur, au point que le fer produit est liquide :

\[\ce{Fe2O3 + 2Al -> 2Fe + Al2O3}\]

C'est l'aluminothermie. Le fer fondu remplit le moule et soude les deux rails. On l'utilise aussi pour réparer de grosses pièces métalliques.

Exemple résolu : équilibrer l'équation

Cherche d'abord comment équilibrer \(\ce{Fe2O3 + Al -> Fe + Al2O3}\), puis dévoile.

4. D'autres métaux obtenus par réduction

• Le zinc : on peut réduire l'oxyde de zinc par le carbone : \(\ce{ZnO + C -> Zn + CO}\).
• Le cuivre : au laboratoire, on peut aussi réduire l'oxyde de cuivre par le dihydrogène : \(\ce{CuO + H2 -> Cu + H2O}\). Il se forme de l'eau, sans dioxyde de carbone.
• Le tungstène (filaments de lampes anciennes) est obtenu en réduisant son oxyde par le dihydrogène.
• L'aluminium est un cas à part : son oxyde, l'alumine, tiré de la bauxite (la Guinée en possède d'importants gisements), est si difficile à réduire que le carbone n'y suffit pas. On utilise l'électricité (électrolyse), qui consomme beaucoup d'énergie.

Exemple résolu : conservation de la masse

On réduit \(16\ \text{g}\) d'oxyde de cuivre par \(1{,}2\ \text{g}\) de carbone. La réaction est complète et on obtient \(12{,}8\ \text{g}\) de cuivre. Quelle masse de dioxyde de carbone s'est formée ? Combien d'oxyde faudrait-il pour obtenir \(64\ \text{g}\) de cuivre ?

Erreurs fréquentes

• Confondre réducteur et corps réduit : le réducteur prend l'oxygène, le corps réduit le perd.
• Oublier d'équilibrer les équations : chaque atome doit être présent en même nombre des deux côtés.
• Penser que la fonte et l'acier sont la même chose : l'acier contient beaucoup moins de carbone.
• Croire que tous les métaux s'obtiennent avec du carbone : l'aluminium demande l'électrolyse.
• Oublier que la masse se conserve : la masse « perdue » par l'oxyde se retrouve dans le gaz formé.

Récapitulatif

• Réduire un oxyde, c'est lui enlever son oxygène grâce à un réducteur, qui est oxydé en même temps.
• Expérience type : \(\ce{2CuO + C -> 2Cu + CO2}\).
• Haut fourneau : le coke donne \(\ce{CO}\), qui réduit l'oxyde de fer : \(\ce{Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2}\) ; on obtient la fonte, puis l'acier.
• Aluminothermie : \(\ce{Fe2O3 + 2Al -> 2Fe + Al2O3}\), pour souder les rails.
• Zinc et cuivre s'obtiennent aussi par réduction ; l'aluminium, lui, par électrolyse.