Questão Q01 da 2ª fase da FUVEST 2009

2ª fase · Química

Água pode ser eletrolisada com a finalidade de se demonstrar sua composição. A figura representa uma aparelhagem em que foi feita a eletrólise da água, usando eletrodos inertes de platina.

Esquema da aparelhagem de eletrólise da água: um gerador de corrente contínua (I) com polos positivo e negativo conectados a eletrodos inseridos em tubos de ensaio invertidos (II e III) mergulhados em uma cuba com água (IV). O tubo II possui maior volume de gás acumulado do que o tubo III. À direita da imagem, lê-se: "I = gerador de corrente contínua".

a) Nesse experimento, para que ocorra a eletrólise da água, o que deve ser adicionado, inicialmente, à água contida no recipiente IV? Justifique.

b) Dê as fórmulas moleculares das substâncias recolhidas, respectivamente, nos tubos II e III.

c) Qual a relação estequiométrica entre as quantidades de matéria (mols) recolhidas em II e III?

d) Escreva a equação balanceada que representa a semi-reação que ocorre no eletrodo (anodo) inserido no tubo III.

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Resolução comentada

a) A água pura é um péssimo condutor de eletricidade, porque tem pouquíssimos íons livres (cerca de 10^{-7}\ \text{mol/L} de \ce{H+} e de \ce{OH-}). Por isso, é preciso adicionar à água do recipiente IV um eletrólito (soluto que se dissocia em íons), como \ce{H2SO4}, \ce{NaOH} ou \ce{Na2SO4}. Os íons dissolvidos conduzem a corrente. Eles não são consumidos, pois a água é que se descarrega nos eletrodos. Os íons do eletrólito têm potencial de descarga mais difícil que o da água.\n\nResposta: adiciona-se um eletrólito (ácido, base ou sal solúvel, como \ce{H2SO4} ou \ce{Na2SO4}), para tornar a solução condutora.\n\nb) A figura mostra o polo positivo do gerador ligado ao eletrodo do tubo III, que é então o anodo (oxidação). O polo negativo está ligado ao tubo II, o catodo (redução).\n\n- Catodo (II): 2\ \ce{H2O} + 2\ e^- \to \ce{H2} + 2\ \ce{OH-}, formando \ce{H2}.\n- Anodo (III): \ce{H2O} \to \tfrac{1}{2}\ \ce{O2} + 2\ \ce{H+} + 2\ e^-, formando \ce{O2}.\n\nO tubo II tem o maior volume de gás, o que é coerente com o \ce{H2} (veja o item c).\n\nResposta: tubo II: \ce{H2}; tubo III: \ce{O2}.\n\nc) A equação global da eletrólise é:\n\n

2\ \ce{H2O} \to 2\ \ce{H2} + \ce{O2}
\n\nOs coeficientes dão a proporção em mols: 2 mol de \ce{H2} para 1 mol de \ce{O2}. Em outras palavras, o \ce{H2} ocupa o dobro do volume do \ce{O2} nas mesmas condições de temperatura e pressão. Isso confirma que o tubo II, com mais gás, contém \ce{H2}.\n\nResposta: n_{II} : n_{III} = 2 : 1 (ou seja, n_{\ce{H2}} = 2\,n_{\ce{O2}}).\n\nd) No anodo (tubo III) ocorre a oxidação da água, com formação de \ce{O2}. Balanceando átomos e cargas:\n\n
\ce{H2O(l) -> 1/2 O2(g) + 2 H+(aq) + 2 e-}
\n\nOu, sem fração:\n\n
2\ \ce{H2O(l)} \to \ce{O2(g)} + 4\ \ce{H+(aq)} + 4\ e^-
\n\nResposta: 2\ \ce{H2O} \to \ce{O2} + 4\ \ce{H+} + 4\ e^- (equivalente a \ce{H2O} \to \tfrac{1}{2}\ce{O2} + 2\ce{H+} + 2e^-).

Assuntos: eletrólise da água, reações de oxirredução, estequiometria.

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