Questão Q01 da 2ª fase da FUVEST 2014
Em uma aula de laboratório de Química, a professora propôs a realização da eletrólise da água.
Após a montagem de uma aparelhagem como a da figura ao lado, e antes de iniciar a eletrólise, a professora perguntou a seus alunos qual dos dois gases, gerados no processo, eles esperavam recolher em maior volume. Um dos alunos respondeu: “O gás oxigênio deve ocupar maior volume, pois seus átomos têm oito prótons e oito elétrons (além dos nêutrons) e, portanto, são maiores que os átomos de hidrogênio, que, em sua imensa maioria, têm apenas um próton e um elétron”.
Observou-se, porém, que, decorridos alguns minutos, o volume de hidrogênio recolhido era o dobro do volume de oxigênio (e essa proporção se manteve no decorrer da eletrólise), de acordo com a seguinte equação química:
a) Considerando que a observação experimental não corresponde à expectativa do aluno, explique por que a resposta dada por ele está incorreta.
Posteriormente, o aluno perguntou à professora se a eletrólise da água ocorreria caso a solução aquosa de \ce{Na2SO4} fosse substituída por outra. Em vez de responder diretamente, a professora sugeriu que o estudante repetisse o experimento, porém substituindo a solução aquosa de \ce{Na2SO4} por uma solução aquosa de sacarose (\ce{C12H22O11}).
b) O que o aluno observaria ao realizar o novo experimento sugerido pela professora? Explique.
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Resolução comentada
a) O volume de um gás não depende do tamanho dos átomos nem do número de prótons e elétrons de cada um. Num gás, as moléculas estão muito afastadas umas das outras, e o espaço ocupado é quase todo "vazio". Pela lei de Avogadro, volumes iguais de gases, nas mesmas condições de temperatura e pressão, contêm o mesmo número de moléculas, qualquer que seja o gás.
O que determina o volume é a quantidade de matéria (mol) de gás produzida. Pela equação, \ce{2 H2O -> 2 H2 + O2}, formam-se 2 mol de \ce{H2} para cada 1 mol de \ce{O2}. Como o volume é proporcional ao número de mol, o volume de \ce{H2} é o dobro do de \ce{O2}. A razão 2 : 1 vem da estequiometria da reação, e o argumento do aluno, baseado no tamanho dos átomos, está incorreto.
O volume de gás depende do número de moléculas (mol), e não do tamanho dos átomos; a estequiometria 2 mol de \ce{H2} : 1 mol de \ce{O2} leva a 2 volumes de \ce{H2} para 1 de \ce{O2}.
b) O aluno não observaria desprendimento de gases (ou seria desprezível), ou seja, praticamente não haveria eletrólise da água.
A água pura é um péssimo condutor, pois tem pouquíssimos íons. No experimento original, o \ce{Na2SO4} é um eletrólito: dissolvido, libera \ce{Na+} e \ce{SO4^{2-}}, que conduzem a corrente elétrica pela solução. Esses íons não participam das semirreações, pois a água se oxida e se reduz mais facilmente que eles.
A sacarose é uma substância molecular. Ao se dissolver, apenas separa as moléculas, sem formar íons, e a solução não conduz corrente. Sem corrente, não há passagem de elétrons pelo circuito, e não ocorrem as semirreações nos eletrodos. Os tubos não acumulariam gás.
Não haveria formação de bolhas de \ce{H2} e \ce{O2}, pois a solução de sacarose não tem íons e não conduz corrente elétrica, o que impede a eletrólise.
Assuntos: eletrólise da água, lei de Avogadro, condutividade de soluções.
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