Les nombres d'oxydation, également appelés états d'oxydation, jouent un rôle crucial dans la compréhension des réactions électrochimiques. Ces nombres aident à déterminer comment les électrons sont répartis entre les atomes d’une molécule ou d’un ion. Connaître l’état d’oxydation de chaque élément d’un composé est essentiel pour prédire le résultat des réactions électrochimiques, qui sont au cœur de nombreuses technologies, notamment les batteries et la prévention de la corrosion.
Un nombre d'oxydation est un nombre théorique attribué à un atome dans une molécule ou un ion indiquant la charge électrique générale de cet atome. Il est basé sur un ensemble de règles qui prennent en compte l'allocation des électrons dans les liaisons :
Ces règles servent de base pour déterminer les nombres d’oxydation dans des molécules et des ions plus complexes.
Exemple 1 : Eau (H₂O)
Selon les règles, l'oxygène a un indice d'oxydation de -2. Puisqu’il y a deux hydrogènes et que chaque hydrogène a un nombre d’oxydation de +1, la charge globale des hydrogènes est égale à +2. Cela s’équilibre avec la charge -2 de l’oxygène, rendant la molécule neutre.
Exemple 2 : Chlorure de sodium (NaCl)
Le sodium, un métal, lorsqu'il forme un ion, a un état d'oxydation de +1. Le chlore, dans ce composé, aurait un état d’oxydation de -1 pour équilibrer la charge globale, rendant le composé neutre.
Connaître les états d’oxydation des éléments dans les réactifs et les produits est vital en électrochimie. Ces connaissances aident à comprendre quelles espèces subiront une oxydation ou une réduction dans une cellule électrochimique.
Une cellule électrochimique se compose de deux électrodes : une anode (où se produit l'oxydation) et une cathode (où se produit la réduction). Le flux d'électrons de l'anode à la cathode à travers un circuit externe génère de l'énergie électrique.
Par exemple, dans une simple batterie zinc-cuivre, le zinc a un indice d’oxydation de 0 sous sa forme élémentaire. Dans la réaction électrochimique, il perd des électrons (oxydation) pour former des ions Zn \(^{2+}\) , changeant ainsi son état d'oxydation de 0 à +2. À l'inverse, les ions Cu \(^{2+}\) à la cathode gagnent des électrons (réduction), changeant l'état d'oxydation du cuivre de +2 à 0 lorsqu'il se transforme en cuivre métallique.
Ce transfert d’électrons, provoqué par les changements dans les nombres d’oxydation, est ce qui génère de l’énergie électrique dans les batteries.
Une expérience simple pour observer un processus d’oxydo-réduction implique une solution de sulfate de cuivre (II) et un clou de zinc. Lorsque le clou de zinc est immergé dans la solution de sulfate de cuivre (II), le zinc s'oxyde, perdant des électrons pour former des ions Zn \(^{2+}\) . Ces électrons sont ensuite gagnés par les ions Cu \(^{2+}\) , qui se réduisent pour former du cuivre métallique à la surface du clou de zinc. Cela peut être observé par un changement de couleur dans la solution et par la formation d'une couche de cuivre sur le clou en zinc.
Dans les molécules complexes, la détermination des nombres d’oxydation peut nécessiter une analyse minutieuse, en particulier dans les molécules contenant des éléments pouvant avoir plusieurs états d’oxydation.
Exemple : Dans le dichromate de potassium (K₂Cr₂O₇), le potassium (K) a un indice d'oxydation de +1, l'oxygène (O) a un indice d'oxydation de -2 et le chrome (Cr) doit être calculé. Sachant qu’il existe deux ions potassium (+1 chacun) et sept atomes d’oxygène (-2 chacun) et que le composé est neutre, on peut calculer le nombre d’oxydation du chrome.
2(+1) + 2(Cr) + 7(-2) = 0
2 - 14 + 2(Cr) = 0
2(Cr) = 12
Cr = +6
Ce calcul montre que l'indice d'oxydation du chrome dans le bichromate de potassium est de +6.
Les nombres d'oxydation sont un concept fondamental en chimie, en particulier en électrochimie, où ils aident à prédire la direction du flux d'électrons dans les réactions d'oxydo-réduction. Comprendre comment attribuer et calculer ces nombres est essentiel pour analyser les cellules et les réactions électrochimiques, influençant tout, du stockage d'énergie dans les batteries aux stratégies de protection contre la corrosion.