Identification du manganèse

H 43 - Mettre en évidence la présence de concrétions ferro-manganiques dans le sol à l’aide de méthode simple et rapide à effectuer sur le terrain.

Résumé

Une réaction chimique permet de mettre en évidence la présence de manganèse dans le sol.

Question posée

Est-ce que le sol contient des concrétions ferro-manganiques ?

Principe

On applique sur l'échantillon de sol une solution d'eau oxygénée qui va réagir en présence de manganèse. Si une réaction d’effervescence se produit cela traduit la présence de manganèse dans le sol.

Condition de mise en œuvre

La réalisation des observations s’effectue sur un échantillon de sol frais.

Le test à l’eau oxygénée provoque une réaction exothermique, libérant de la chaleur. Être vigilant lors de la manipulation. L'eau oxygénée concentrée est très agressive, il faut la manipuler avec une grande précaution (protection des mains et des yeux).

Matériel et fourniture

Eau oxygénée H2O2

Réalisation du protocole

1- Déposer sur l’échantillon quelques gouttes d’eau oxygénée.

2- Observer si une réaction d’effervescence se produit.

L'eau oxygénée va oxyder le dioxyde de manganèse selon un processus décrit ci-dessous. Une réaction d’effervescence se produit lorsque l’eau oxygénée entre en contact avec du dioxyde de manganèse MnO2. Il se produit une réaction chimique exothermique. Cette réaction libère de l’eau, de l’oxygène et de la chaleur (une fumée blanche peut être observée).

Exploitation des données

Noter l'effervescence à H2O2

La présence de manganèse sous forme de concrétions ferro-manganiques témoigne de conditions périodiquement réductrices dues à un engorgement en eau.

Exemple de réaction exothermique entre MnO2 et H2O2

Références

Baize, D., & Jabiol, B. (2011). Guide pour la description des sols. Editions Quae.

Jahn, R., Blume, H. P., Asio, V. B., Spaargaren, O., & Schad, P. (2006). Guidelines for soil description (p. 97). FAO. Disponible sur : https://www.fao.org/4/a0541e/a0541e.pdf

https://chem.washington.edu/lecture-demos/decomposition-h2o2-mno2

Explications du phénomène d'oxydo-réduction par Guilhem Bourrié. (liste AFES 27/04/2025)

Si on revient aux fondamentaux, on écrit les demi-réactions et une oxydation est une perte d'électrons ou si on veut une augmentation du nombre (conventionnel) d'oxydation, dit degré d'oxydation.

Dans l'eau oxygénée H2O2, l'oxygène est au degré d'oxydation -I. Dans l'eau, l'oxygène est au degré d'oxydation -II et dans l'oxygène moléculaire, il est au degré d'oxydation zéro.

La décomposition de l'eau oxygénée s'écrit donc :

H2O2 --> H2O + 1/2 O2

ou encore, en éliminant les atomes d'hydrogène qui ne changent pas d'état d'oxydation :

2O(-I) --> O(-II) + O(0)

Il s'agit donc d'une réaction de disproportionation : un atome d'oxygène oxyde l'autre. Les deux demi-réactions sont :

O(-I) --> O(0) + e-

O(-I) + e- --> O(-II)

L'eau formée ne réagit pas sur les oxydes de manganèse. Mais l'oxygène formé réagit. Les oxydes de manganèse sont donc oxydés et donc l'oxyde de manganèse n'agit pas en tant qu'oxydant, comme écrit par erreur dans le protocole, mais en tant que réducteur.

La chaleur de réaction est :

Delta r H° = Delta f H° (H2O, l) + 1/2 Delta f H° (O2, g) - Delta f H° (H2O2, l)

= -68.317 + 1/2 0 - (-44.84) = -23.277 kcal/mole à 25 °C, 1 bar.

La réaction est bien exothermique (Delta r H° <0).

En effet, le manganèse Mn(IV) peut s'oxyder en permanganate Mn(VI), anion soluble. Le manganèse à des états d'oxydation inférieurs Mn(II) et Mn(III) peut aussi s'oxyder en passant en solution. La réaction peut donc être quantitative si l'eau oxygénée est apportée en excès et en tenant compte de ce que l'oxygène formé va aussi réagir sur la matière organique du sol. D'où les problèmes rencontrés signalés dans les publications que j'ai transmises précédemment.

Mais l'oxygène formé ne va pas réagir sur les oxydes ferriques Fe(III) et s'il réagit sur les oxydes ferreux ou ferroso-ferriques (la fougérite), le produit de la réaction est insoluble. Le fer ne va donc pas passer en solution.

Dans le détail, le manganèse existe sous forme de minéraux bien cristallisés bien définis qui contiennent souvent d'autres éléments majeurs que le manganèse et l'oygène : Li, Ba etc. L'existence de trois états d'oxydation Mn(II), Mn(III) et Mn(IV) et de réactions de disproportionation : 2Mn(III) --> Mn(II) + Mn(IV) font que cet élément mérite plus d'attention.

Voir les beaux travaux d'Alain Manceau en particulier.