Deux exemples concrets : la pile et la corrosion du fer

La pile Daniell : transformer la chimie en électricité

Une pile Daniell associe une lame de zinc plongée dans une solution de sulfate de zinc, et une lame de cuivre plongée dans une solution de sulfate de cuivre, les deux compartiments étant reliés par un pont salin. Un fil conducteur relie les deux lames à travers un circuit externe.

Les deux demi-équations :

Zn = Zn2+ + 2 e-      (oxydation, a l'anode)
Cu2+ + 2 e- = Cu       (reduction, a la cathode)

Vérification : pour Zn2+ + 2e-, gauche 0, droite (+2)+2×(-1)=0. Pour Cu2+ + 2e- = Cu, gauche (+2)+2×(-1)=0, droite 0. Les deux demi-équations sont équilibrées.

Équation globale (bilan) :

Zn + Cu2+ -> Zn2+ + Cu

Charges : gauche 0+2=+2 ; droite +2+0=+2. Équilibrée.

Les électrons libérés par le zinc circulent dans le fil, ce qui crée un courant électrique : c'est l'énergie de cette oxydoréduction qui alimente une calculatrice ou une montre.

La corrosion du fer : une oxydoréduction qui coûte cher

À l'air humide, le fer s'oxyde spontanément selon deux demi-équations couplées :

Fe = Fe2+ + 2 e-
O2 + 2 H2O + 4 e- = 4 OH-

Vérification de la seconde : oxygène, 2 (dans O2) + 2 (dans 2 H2O) = 4, à droite 4 (dans 4 OH-) ; hydrogène, 4 (dans 2 H2O) = 4 (dans 4 OH-) ; charges, 0+0+4×(-1) = -4 à gauche, 4×(-1) = -4 à droite.

En multipliant la première demi-équation par 2 et en additionnant, on obtient :

2 Fe + O2 + 2 H2O -> 2 Fe2+ + 4 OH- -> 2 Fe(OH)2

Ce composé s'oxyde encore à l'air pour former la rouille, mélange d'oxydes et d'hydroxydes de fer(III). Contrairement à la couche d'oxyde protectrice qui se forme sur l'aluminium, la rouille est poreuse : elle laisse l'oxydation continuer en profondeur, ce qui explique pourquoi le fer non protégé finit par être entièrement rongé.