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...Par Étude de Chimie
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Exercice : Chimie du Bloc P - Groupe 14

Titre Outil

À DÉCOUVRIR SUR LE SITE
Chimie des éléments du bloc s

Propriétés des alcalins et alcalino-terreux.

Règle des 18 électrons

Stabilité des complexes organométalliques.

Diagrammes de Latimer et de Frost

Stabilité redox et dismutation.

Calcul du nombre d'oxydation

Méthode pour les métaux de transition.

Isomérie dans les complexes

Isomérie géométrique et optique.

Nomenclature des complexes

Règles IUPAC pour la coordination.

Dédoublement des orbitales d

Théorie du champ cristallin.

Étude de coordinence (Nickel)

Géométries et couleurs des complexes.

Synthèse de l'oxyde de sodium

Réactions et précautions.

Étude quantitative (Sulfate de Cuivre)

Dosage et analyses.

Chimie des Éléments du Bloc P

Contexte : L'effet de paire inerte et la réactivité du Plomb.

Le groupe 14Colonne du tableau périodique comprenant C, Si, Ge, Sn, Pb. du tableau périodique illustre une transition fondamentale des propriétés chimiques : en haut de la colonne, le Carbone (non-métal) forme des composés covalents très stables au degré d'oxydation +4 (ex: \(CO_2\)). En descendant vers le Silicium et le Germanium (métalloïdes), cette stabilité se maintient. Cependant, pour les métaux lourds comme l'Étain (Sn) et surtout le Plomb (Pb), une nouvelle tendance émerge : la stabilité préférentielle du degré d'oxydation +2. Ce phénomène, crucial en chimie inorganique, est nommé effet de paire inerteTendance des électrons s de valence à ne pas participer aux liaisons.. Comprendre cet effet permet d'expliquer pourquoi le plomb est toxique sous certaines formes et pourquoi ses oxydes sont des oxydants puissants utilisés dans les batteries.

Remarque Pédagogique : Cet exercice ne se contente pas de décrire le phénomène, il vise à vous faire manipuler les outils quantitatifs (configurations électroniques, potentiels redox, énergie libre de Gibbs) pour prouver et prédire la réactivité chimique.


Objectifs Pédagogiques

  • Maîtriser l'écriture de la configuration électronique des éléments lourds (post-lanthanides).
  • Comprendre l'origine quantique et relativiste de l'effet de paire inerte.
  • Calculer et interpréter l'enthalpie libre standard \(\Delta G^\circ\) pour évaluer la stabilité.
  • Utiliser les potentiels standard pour prédire la spontanéité d'une réaction redox dangereuse.

Données de l'étude

Nous allons comparer la chimie de l'Étain (\(\text{Sn}\), Z=50, Période 5) et celle du Plomb (\(\text{Pb}\), Z=82, Période 6). L'objectif final est de déterminer pourquoi le dioxyde de plomb \(\text{PbO}_2\) réagit violemment avec l'acide chlorhydrique, alors que le dioxyde d'étain \(\text{SnO}_2\) est très stable.

Données Thermodynamiques (à 298K, pH=0)
Couple Redox Demi-équation de réduction Potentiel Standard \(E^\circ\) (V)
\(\text{Sn}^{4+}/\text{Sn}^{2+}\) \(\text{Sn}^{4+} + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Sn}^{2+}\) +0.15 V
\(\text{Pb}^{4+}/\text{Pb}^{2+}\) \(\text{Pb}^{4+} + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Pb}^{2+}\) +1.69 V
\(\text{Cl}_2/\text{Cl}^-\) \(\text{Cl}_2(\text{g}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons 2\text{Cl}^-(\text{aq})\) +1.36 V
Orbitales de valence et effet de paire inerte
Énergie Étain (Sn) 5s 5p Plomb (Pb) 6s 6p Grand écart énergétique (ΔE) Stabilisation relativiste 6s
Données numériques supplémentaires
Constante Symbole Valeur Unité
Constante de Faraday \(F\) 96485 \(\text{C} \cdot \text{mol}^{-1}\)
Numéro atomique du Xénon \(Z_{\text{Xe}}\) 54 -
Questions à traiter
  1. Donner la configuration électronique de valence détaillée du Plomb (Z=82).
  2. Expliquer l'origine atomique de la grande différence de potentiel entre le couple de l'étain et celui du plomb.
  3. Calculer quantitativement l'énergie libre standard \(\Delta G^\circ\) associée à la réduction de \(\text{Pb}^{4+}\) en \(\text{Pb}^{2+}\).
  4. En déduire si la réaction d'oxydoréduction entre le dioxyde de plomb \(\text{PbO}_2\) et l'acide chlorhydrique \(\text{HCl}\) concentré est thermodynamiquement spontanée.

Les bases théoriques

Avant d'entamer les calculs, il est essentiel de réviser les concepts clés qui régissent la chimie des éléments lourds.

Configuration électronique & Bloc p
Les éléments du groupe 14 (C, Si, Ge, Sn, Pb) possèdent tous 4 électrons de valence. Leur configuration externe générique est \(ns^2 np^2\). Chimiquement, ils peuvent soit former 4 liaisons covalentes (état d'hybridation \(sp^3\), degré +4), soit perdre uniquement les électrons p pour former des ions divalents (degré +2).

Configuration Générique

\[ [\text{Gaz \, Noble}] \, (n-2)\text{f}^{14} \, (n-1)\text{d}^{10} \, n\text{s}^2 \, n\text{p}^2 \]

Où \(n\) est le numéro de la période (ligne) de l'élément.

Effet de paire inerte
Lorsque le numéro atomique Z augmente, les électrons s internes (\(n\text{s}\)) pénètrent profondément vers le noyau. Pour les éléments très lourds (comme le Plomb, n=6), deux phénomènes s'ajoutent : 1. Le mauvais écrantage du noyau par les électrons f et d. 2. Des effets relativistes dus à la vitesse des électrons proches du noyau. Cela stabilise considérablement l'orbitale \(6\text{s}\), rendant ces deux électrons "inertes" ou indisponibles pour la liaison chimique.

Thermodynamique Redox (Loi de Gibbs)
La tendance spontanée d'une réaction redox est mesurée par son enthalpie libre standard de réaction, \(\Delta G^\circ\). Elle est directement reliée au potentiel standard de la cellule \(E^\circ_{\text{cell}}\).

Relation Fondamentale

\[ \Delta G^\circ = -n \cdot F \cdot E^\circ \]

Une réaction est spontanée si \(\Delta G^\circ < 0\), ce qui correspond à un potentiel \(E^\circ > 0\).


Correction : Chimie des Éléments du Bloc P

Question 1 : Configuration électronique du Plomb

Principe

Pour écrire la configuration électronique d'un atome lourd, on applique le principe de construction (Aufbau) ou règle de Klechkowski, en remplissant les sous-couches par ordre d'énergie croissante. Le Plomb est situé dans la 6ème période et le 14ème groupe.

Mini-Cours

Rappel de la règle de Klechkowski (n+l croissant) :
Le remplissage s'effectue selon la somme \(n+l\) croissante. En cas d'égalité, on remplit d'abord le plus petit \(n\).
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p.

Remarque Pédagogique

Point crucial : Le Plomb (Z=82) est situé après les Lanthanides (Z=57 à 71). Cela implique obligatoirement que la sous-couche 4f est entièrement remplie avec 14 électrons.

Normes

L'IUPAC recommande l'écriture condensée utilisant le gaz rare de la période précédente pour alléger l'écriture des électrons de cœur.

Hypothèses

On considère l'atome de plomb isolé, à l'état fondamental (niveau d'énergie le plus bas).

Donnée(s)
ÉlémentNuméro Atomique (Z)Gaz Rare Précédent
Plomb (\(\text{Pb}\))82Xénon (\(\text{Xe}\), Z=54)
Astuces

Le plomb appartient au groupe 14, comme le Carbone (\(2\text{s}^2 2\text{p}^2\)) et le Silicium (\(3\text{s}^2 3\text{p}^2\)). Par homologie, sa couche de valence doit se terminer par \(\text{s}^2 \text{p}^2\).

[Localisation dans le Tableau Périodique]
Gr. 14 n=5 n=6 Xe 54 Sn Pb 82 Remplissage 4f et 5d ici
Démarche de Construction
1. Identification des électrons à placer

Nous devons distribuer ces 28 électrons dans les sous-couches disponibles selon l'énergie croissante :

\[ 82 \, (\text{total}) - 54 \, (\text{Xe}) = 28 \text{ électrons restants} \]

Ce résultat intermédiaire nous indique le nombre exact d'électrons à répartir dans les orbitales de la période 6.

2. Remplissage successif
  • Orbitale 6s : 2 électrons (Total 56) → \(6\text{s}^2\)
  • Orbitale 4f : 14 électrons (Total 70) → \(4\text{f}^{14}\) (Les Lanthanides)
  • Orbitale 5d : 10 électrons (Total 80) → \(5\text{d}^{10}\) (Les Métaux de transition)
  • Orbitale 6p : 2 électrons restants (Total 82) → \(6\text{p}^2\)

Tous les électrons sont placés. Nous avons rempli les sous-couches f et d internes.

3. Écriture finale ordonnée

Pour l'écriture conventionnelle, nous réorganisons les sous-couches par numéro de couche principale \(n\) croissant :

Configuration Électronique Complète

\[ [\text{Xe}] \, 4\text{f}^{14} \, 5\text{d}^{10} \, 6\text{s}^2 \, 6\text{p}^2 \]

On constate que les sous-couches internes f et d sont totalement remplies. Seule la couche périphérique n=6 reste ouverte.

4. Identification de la Valence

La couche de valence correspond au nombre quantique principal le plus élevé (\(n=6\)).

\[ 6\text{s}^2 \, 6\text{p}^2 \]

Ces 4 électrons externes déterminent les propriétés chimiques : possibilité de perdre les 2 électrons p (état +2) ou les 4 électrons s et p (état +4).

Schéma (Cases Quantiques de Valence)
Couche de valence (n=6) 6s 6p
Réflexions

La présence des sous-couches internes \(4\text{f}^{14}\) et \(5\text{d}^{10}\) est fondamentale. Ces 24 électrons diffus "blindent" très mal la charge positive du noyau. Par conséquent, les électrons de valence \(6\text{s}\) et \(6\text{p}\) ressentent une attraction nucléaire beaucoup plus forte que prévu.

Points de vigilance

Ne confondez pas l'ordre de remplissage énergétique (Klechkowski) avec l'ordre d'écriture final (par couches). Bien que la 4f se remplisse "pendant" la période 6, elle appartient à la couche n=4.

Points à Retenir

L'essentiel à mémoriser :

  • Configuration du Plomb : \([\text{Xe}] \, 4\text{f}^{14} \, 5\text{d}^{10} \, 6\text{s}^2 \, 6\text{p}^2\).
  • La sous-couche 4f est pleine (14 électrons).
Le saviez-vous ?

Le plomb-208 est le noyau stable le plus lourd qui existe. Au-delà (Bismuth, Polonium...), tous les noyaux sont radioactifs.

FAQ
Pourquoi la couche 6s se remplit-elle avant la 4f ?

Car l'énergie de l'orbitale 6s est inférieure à celle de la 4f pour les atomes neutres de cette région, selon la règle (n+l) : pour 6s, n+l=6+0=6 ; pour 4f, n+l=4+3=7.

Configuration Valence : \(6\text{s}^2 \, 6\text{p}^2\)

A vous de jouer
Quelle est la configuration de l'Étain (\(\text{Sn}\), Z=50), situé juste au-dessus du Plomb ?

📝 Mémo
"Gros atomes = Grosses sous-couches cachées" : Pensez toujours aux 14 électrons f et 10 électrons d qui s'intercalent.


Question 2 : Origine du potentiel élevé (L'effet de paire inerte)

Principe

Il s'agit d'expliquer une propriété macroscopique (le potentiel redox) par la structure microscopique de l'atome (stabilité des orbitales). On compare ici la facilité de passer de l'état +4 à +2 pour Sn et Pb.

Mini-Cours

Effet de paire inerte : Pour les éléments lourds du bloc p, les électrons \(n\text{s}^2\) sont fortement liés au noyau et difficilement ionisables. L'atome "préfère" perdre seulement ses électrons \(n\text{p}\), conduisant à un état d'oxydation inférieur stable.

Effet Relativiste : Pour des noyaux très chargés, les électrons s acquièrent une vitesse proche de c, augmentant leur masse et contractant leur orbitale vers le noyau (stabilisation).

Remarque Pédagogique

Un potentiel standard \(E^\circ\) élevé pour un couple \(\text{Ox}/\text{Red}\) signifie que la forme Oxydée est très instable et cherche à capter des électrons pour se réduire.

Donnée(s)
Couple\(E^\circ\) (V)Signification Chimique
\(\text{Sn}^{4+}/\text{Sn}^{2+}\)+0.15 VFaible tendance à la réduction. Sn(IV) est stable.
\(\text{Pb}^{4+}/\text{Pb}^{2+}\)+1.69 VForte tendance à la réduction. Pb(IV) est instable.
Analyse et Explication

Pour l'étain (\(\text{Sn}\)), l'effet de paire inerte est faible. Les 4 électrons de valence (5s et 5p) peuvent être engagés dans des liaisons covalentes. L'état Sn(+4) est donc courant et stable (ex: \(\text{SnO}_2\), cassitérite). Le potentiel est bas (+0.15 V).

Pour le plomb (\(\text{Pb}\)), les orbitales 6s subissent une contraction relativiste importante. Les électrons \(6\text{s}^2\) sont très bas en énergie et très proches du noyau. Il coûte énormément d'énergie de les "dé-apparier" pour former des liaisons. Le Plomb est donc beaucoup plus stable en gardant ses électrons 6s (état +2) qu'en les perdant (état +4). C'est pourquoi l'ion \(\text{Pb}^{4+}\) est un oxydant extrêmement puissant : il "tire" fort sur les électrons pour redevenir \(\text{Pb}^{2+}\).

[Diagramme d'Énergie Relative - Zoom]
E Sn 5s 5p Pb 6s 6p Grand écart
Comparaison Numérique

Calculons l'écart de potentiel entre le couple du plomb et celui de l'étain pour quantifier la différence de stabilité :

\[ \begin{aligned} \Delta E^\circ &= E^\circ(\text{Pb}^{4+}/\text{Pb}^{2+}) - E^\circ(\text{Sn}^{4+}/\text{Sn}^{2+}) \\ &= 1.69 \, \text{V} - 0.15 \, \text{V} \\ &= 1.54 \, \text{V} \end{aligned} \]

Cet écart positif de 1.54 V est colossale en chimie (cela correspond à plus de 300 kJ/mol d'écart énergétique en termes d'énergie libre). Cela confirme numériquement que la chimie du Plomb est radicalement différente de celle de l'Étain : le Plomb(IV) est instable et oxydant.

[Comparaison de Stabilité - Bilan]
Énergie (plus bas = plus stable) Étain (Sn) Sn(IV) Sn(II) Plomb (Pb) Pb(II) Pb(IV)
Réflexions

Cela explique pourquoi le Carbone (en haut du groupe) forme \(CO_2\) (+4) et jamais \(C^{2+}\) stable, alors que le Plomb (en bas) forme \(\text{Pb}^{2+}\) stable et que \(\text{PbO}_2\) est explosif ou très réactif.

Points de vigilance

Attention : "Inerte" ne veut pas dire que les électrons disparaissent. Ils sont présents, occupent de l'espace (stéréochimiquement actifs), mais ne participent pas à la formation de liaisons covalentes classiques.

Points à Retenir

L'essentiel à mémoriser :

  • Plus on descend dans le groupe 14, plus l'état +2 devient stable par rapport au +4.
  • Cause : Stabilisation relativiste de la sous-couche s.
Le saviez-vous ?

Cet effet explique aussi pourquoi le Mercure (\(\text{Hg}\), \(6\text{s}^2\)) est liquide à température ambiante : ses électrons 6s sont si bien tenus qu'ils participent peu aux liaisons métal-métal.

FAQ
Est-ce que le silicium a un effet de paire inerte ?

Non, le silicium est léger. Ses orbitales 3s et 3p s'hybrident très facilement. Le composé \(\text{SiO}_2\) (sable, quartz) est extrêmement stable.

Cause : Stabilisation relativiste des électrons 6s.

A vous de jouer
Le Thallium (\(\text{Tl}\), groupe 13) suit le Plomb. Quel sera son état stable ?

📝 Mémo
"En bas à droite du tableau, les 's' sont paresseux (inertes)".


Question 3 : Calcul de l'enthalpie libre standard (\(\Delta G^\circ\))

Principe

On souhaite quantifier l'énergie libérée ou absorbée par la demi-réaction de réduction du plomb. Pour cela, on utilise la relation fondamentale reliant thermodynamique et électrochimie.

Mini-Cours

L'enthalpie libre de Gibbs \(\Delta G\) représente l'énergie "utile" récupérable.
Si \(\Delta G < 0\) : La transformation est spontanée (exergonique).
Si \(\Delta G > 0\) : La transformation nécessite un apport d'énergie (endergonique).

Remarque Pédagogique

L'unité standard de \(\Delta G\) est le Joule par mole (\(\text{J}/\text{mol}\)), mais il est d'usage de le convertir en kiloJoules par mole (\(\text{kJ}/\text{mol}\)) pour obtenir des chiffres plus maniables.

Normes

Le signe négatif dans la formule est une convention cruciale : il relie un potentiel positif (force motrice) à une énergie négative (système qui se stabilise).

Formule(s)

Formule de Gibbs

\[ \Delta G^\circ = -n \cdot F \cdot E^\circ \]
Hypothèses

Le calcul est effectué dans les conditions standard (T=298K, P=1 bar, concentrations=1 M).

Donnée(s)
SymboleValeurUnité
\(n\) (électrons échangés)2-
\(F\) (Faraday)96485\(\text{C} \cdot \text{mol}^{-1}\) ou \(\text{J} \cdot \text{V}^{-1} \cdot \text{mol}^{-1}\)
\(E^\circ\) (Potentiel)+1.69\(\text{V}\) ou \(\text{J} \cdot \text{C}^{-1}\)
Astuces

Le résultat sera en Joules (J/mol). Pensez à diviser par 1000 pour obtenir des kiloJoules (kJ/mol), unité plus usuelle en chimie.

Une astuce mnémonique : "Moins n F E" (prononcez "moins neuf œufs").

[Schéma Conceptuel : Travail Électrique]
Système Pb4+ + 2e- -> Pb2+ ΔG° Énergie Libérée Travail Max
Calcul(s)
1. Explication des variables

La réduction passe de \(\text{Pb}^{4+}\) à \(\text{Pb}^{2+}\), il y a donc échange de 2 électrons, soit \(n=2\). La constante \(F\) est approximée à 96500 C/mol parfois, mais nous utiliserons 96485. Le potentiel \(E^\circ\) est positif.

2. Application Numérique

Commençons par remplacer les symboles par leurs valeurs numériques : \(n=2\) (échange de 2 électrons), \(F \approx 96500\) \(\text{C}/\text{mol}\), et \(E^\circ = +1.69\) \(\text{V}\).

\[ \Delta G^\circ = -(2) \times (96485 \, \text{C} \cdot \text{mol}^{-1}) \times (1.69 \, \text{V}) \]

Rappelons que \(1 \, \text{V} = 1 \, \text{J}/\text{C}\), donc les Coulombs s'annulent pour donner des Joules par mole.

3. Calcul Brut

Effectuons la multiplication :

\[ \begin{aligned} \Delta G^\circ &= -2 \times 163059.65 \\ &= -326\,119.3 \, \text{J} \cdot \text{mol}^{-1} \end{aligned} \]

Le résultat brut est en Joules par mole. Pour l'exprimer en une unité plus conventionnelle, nous devons convertir :

4. Conversion et Arrondi

On convertit en kJ (division par 1000) et on garde 3 chiffres significatifs :

\[ \begin{aligned} \Delta G^\circ &= \frac{-326\,119.3}{1000} \, \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1} \\ &\approx -326 \, \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1} \end{aligned} \]

Nous arrondissons le résultat final à trois chiffres significatifs.

Schéma (Interprétation Thermodynamique)
-326 kJ/mol Très Spontané 0 kJ
Réflexions

Une valeur de -326 kJ/mol est considérable. À titre de comparaison, l'hydrolyse de l'ATP (la "monnaie" énergétique de la vie) ne libère que -30 kJ/mol. La réduction du plomb IV est donc 10 fois plus énergétique !

Points de vigilance

N'oubliez jamais le signe moins dans la formule \(-nFE\). Un potentiel positif entraîne une énergie libre négative (favorable).

Points à Retenir

L'essentiel à mémoriser :

  • Potentiel Positif = \(\Delta G\) Négatif = Spontané.
  • 1 Volt correspond environ à -100 kJ/mol (pour n=1).
Le saviez-vous ?

C'est cette grande densité d'énergie qui permet aux batteries au plomb de démarrer les voitures (courant de démarrage très intense).

FAQ
Pourquoi n=2 ?

Car on passe de Pb(+4) à Pb(+2). La différence est de 2 électrons.

\(\Delta G^\circ \approx -326 \, \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1}\)

A vous de jouer
Calculez le \(\Delta G^\circ\) pour l'étain (\(E^\circ = +0.15 \text{V}\)).

📝 Mémo
"G comme Glissade" : Si c'est négatif, ça descend tout seul (spontané).


Question 4 : Réaction \(\text{PbO}_2 + \text{HCl}\)

Principe

On utilise la "Règle du Gamma" pour prédire la réaction spontanée entre deux couples redox. L'oxydant le plus fort réagit avec le réducteur le plus fort.

Mini-Cours

Critère de spontanéité : Une réaction redox est spontanée si la différence de potentiel \(\Delta E^\circ_{\text{cell}} = E^\circ_{\text{oxydant}} - E^\circ_{\text{réducteur}}\) est positive.

Remarque Pédagogique

Le dioxyde de plomb \(\text{PbO}_2\) est un solide brun. L'acide chlorhydrique \(\text{HCl}\) apporte des ions \(\text{H}^+\) (acidité) et \(\text{Cl}^-\) (réducteur potentiel).

Normes

Écriture de l'équation bilan équilibrée en masse et en charge.

Formule(s)
\[ \Delta E^\circ = E^\circ(\text{Couple}_{\text{Oxydant}}) - E^\circ(\text{Couple}_{\text{Réducteur}}) \]
Hypothèses

On suppose les conditions standard, bien que l'utilisation d'acide concentré (\(>1\text{M}\)) augmente encore le potentiel du couple \(\text{PbO}_2/\text{Pb}^{2+}\) (car les \(\text{H}^+\) sont consommés), rendant la réaction encore plus favorable.

Donnée(s)
Espèce PrésenteCouple\(E^\circ\) (V)Nature
\(\text{PbO}_2\)\(\text{Pb}^{4+}/\text{Pb}^{2+}\)1.69Oxydant Fort
\(\text{Cl}^-\) (dans HCl)\(\text{Cl}_2/\text{Cl}^-\)1.36Réducteur Faible
Astuces

Placez les couples sur une échelle verticale. Si l'oxydant est "au-dessus" du réducteur, la réaction "descend" (elle est spontanée).

[Échelle des Potentiels Redox]
E° (V) PbO2 Pb2+ Oxydant Fort 1.69 V Cl2 Cl- Réducteur 1.36 V 0.15 V (Sn) Réaction
Calcul de la Force Électromotrice
1. Identification des réactifs

Identifions d'abord les deux demi-équations d'oxydoréduction mises en jeu :
L'oxydant disponible est \(\text{PbO}_2\) (couple \(\text{Pb}^{4+}/\text{Pb}^{2+}\), \(E^\circ=1.69\text{V}\)).
Le réducteur disponible est \(\text{Cl}^-\) (couple \(\text{Cl}_2/\text{Cl}^-\), \(E^\circ=1.36\text{V}\)).

2. Écriture des Demi-équations

On écrit les demi-réactions dans le sens où elles se produisent :

\[ \begin{aligned} \text{Réd : } & \text{PbO}_2 + 4\text{H}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Pb}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O} \\ \text{Ox : } & 2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 2\text{e}^- \end{aligned} \]
3. Calcul de la différence

Appliquons la règle du gamma : la force électromotrice de la réaction est la différence entre le potentiel de l'oxydant et celui du réducteur.

\[ \begin{aligned} \Delta E^\circ &= 1.69 \, \text{V} - 1.36 \, \text{V} \\ &= +0.33 \, \text{V} \end{aligned} \]
4. Conclusion Thermodynamique

Nous obtenons une valeur positive de +0.33 V. Puisque \(\Delta E^\circ > 0\), la réaction est spontanée dans le sens direct.

Schéma (Bilan Réactionnel)
PbO2 (Solide Brun) + HCl Cl2 Gaz Toxique !
Réflexions

L'équation de réaction est : \(\text{PbO}_2(\text{s}) + 4\text{H}^+ + 2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Pb}^{2+} + \text{Cl}_2(\text{g}) + 2\text{H}_2\text{O}\). On observe visuellement la dissolution du solide brun et l'apparition de bulles de gaz vert-pâle.

Points de vigilance

DANGER : Le gaz produit est du dichlore (\(\text{Cl}_2\)), un gaz toxique et suffocant. Cette réaction ne doit jamais être réalisée hors d'une hotte aspirante.

Points à Retenir

L'essentiel à mémoriser :

  • \(\text{PbO}_2\) est un oxydant assez fort pour oxyder les ions chlorures.
  • C'est une méthode classique de production de chlore au laboratoire.
Le saviez-vous ?

Cette réaction historique a permis au chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele de découvrir le chlore en 1774 (en utilisant \(\text{MnO}_2\), qui réagit de façon analogue).

FAQ
Que se passe-t-il avec l'acide sulfurique ?

L'acide sulfurique \(\text{H}_2\text{SO}_4\) n'est pas réducteur. Il n'y a pas de réaction redox, mais formation de sulfate de plomb insoluble.

Réaction Spontanée : Dégagement de \(\text{Cl}_2\).

A vous de jouer
Est-ce que \(\text{PbO}_2\) peut oxyder l'Or (\(\text{Au}^{3+}/\text{Au} = 1.50\text{V}\)) ?

📝 Mémo
"Gamma vers le bas" : L'espèce la plus forte en haut à gauche réagit avec celle en bas à droite.


Schéma Bilan de l'Exercice

Synthèse visuelle de l'évolution de la stabilité redox dans le groupe 14.

Période (n) Stabilité Relative C (2) Si (3) Ge (4) Sn (5) Pb (6) État +4 (Covalence pure) État +2 (Paire inerte) Inversion Sn/Pb

📝 Grand Mémo : Ce qu'il faut retenir absolument

Voici la synthèse des points clés méthodologiques et physiques abordés dans cet exercice :

  • 📉
    Point Clé 1 : Stabilité de l'état +4
    Elle diminue drastiquement en descendant le groupe. Le Carbone est stable, le Plomb(IV) est explosif.
  • 📈
    Point Clé 2 : Stabilité de l'état +2
    Elle augmente en descendant le groupe grâce à l'effet de paire inerte (stabilisation des orbitales s).
  • Point Clé 3 : Pouvoir Oxydant
    Le Plomb(IV) est un oxydant très puissant car il cherche à récupérer ses deux électrons s pour revenir à l'état +2 stable.
  • 💡
    Point Clé 4 : Configuration
    Pour Z > 57, ne jamais oublier la sous-couche 4f dans le comptage !
"En bas du tableau, le doublet s préfère faire la sieste (inerte) plutôt que de réagir !"

🎛️ Simulateur : Stabilité Thermodynamique relative

Simulez l'évolution de la stabilité relative des états +2 et +4 en fonction de la période (l'élément) et de la température.

Paramètres
2=C, 3=Si, 4=Ge, 5=Sn, 6=Pb
Indice Stabilité (+4) : -
Indice Stabilité (+2) : -

📝 Quiz final : Testez vos connaissances

1. Quel est l'état d'oxydation le plus stable thermodynamiquement pour le Plomb (\(\text{Pb}\)) ?

2. Quelle orbitale est principalement responsable de l'inertie chimique au niveau 6 ?

3. Que se passe-t-il si on traite \(\text{PbO}_2\) avec de l'acide chlorhydrique concentré ?

📚 Glossaire

Contraction lanthanidique
Diminution du rayon atomique plus forte que prévue pour les éléments suivant les lanthanides, causée par le mauvais blindage des électrons 4f.
Oxydant
Espèce chimique capable de capter des électrons (ex: \(\text{Pb}^{4+}\)).
Réducteur
Espèce chimique capable de céder des électrons (ex: \(\text{Sn}^{2+}\)).
Potentiel standard (\(E^\circ\))
Mesure de la tendance d'un couple redox à réagir dans des conditions standard.
Relativiste
Se dit des effets quantiques dus à la vitesse des électrons proches du noyau (proche de la vitesse de la lumière) augmentant leur masse apparente.
Exercice de Chimie Inorganique - Bloc P
Le Saviez-vous ?

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