PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 4 (Química) da 2ª fase do ITA 2020
Texto-base das questões 01 a 10 · Química
AS QUESTÕES NUMÉRICAS DEVEM SER DESENVOLVIDAS SEQUENCIALMENTE ATÉ O FINAL.
Constantes
Constante de Avogadro (\text{N}_\text{A}) = 6{,}02 \times 10^{23}\text{ mol}^{-1}
Constante de Faraday (F) = 9{,}65 \times 10^4\text{ C mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\text{ A s mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\text{ J V}^{-1}\text{ mol}^{-1}
Volume molar de gás ideal = 22{,}4\text{ L (CNTP)}
Carga elementar = 1{,}60 \times 10^{-19}\text{ C}
Constante dos gases (R) = 8{,}21 \times 10^{-2}\text{ atm L K}^{-1}\text{ mol}^{-1} = 8{,}31\text{ J K}^{-1}\text{ mol}^{-1} = 1{,}98\text{ cal K}^{-1}\text{ mol}^{-1}
Constante gravitacional (g) = 9{,}81\text{ m s}^{-2}
Constante de Planck (h) = 6{,}63 \times 10^{-34}\text{ m}^2\text{ kg s}^{-1}
Velocidade da luz no vácuo = 3{,}0 \times 10^8\text{ m s}^{-1}
Número de Euler (e) = 2{,}72
Definições
Pressão: 1\text{ atm} = 760\text{ mmHg} = 1{,}01325 \times 10^5\text{ N m}^{-2} = 1{,}01325\text{ bar}
Energia: 1\text{ J} = 1\text{ N m} = 1\text{ kg m}^2\text{ s}^{-2} = 6{,}24 \times 10^{18}\text{ eV}
Condições normais de temperatura e pressão (CNTP): 0^\circ\text{ C} e 760\text{ mmHg}
Condições ambientes: 25^\circ\text{ C} e 1\text{ atm}
Condições padrão: 1\text{ bar}; concentração das soluções = 1\text{ mol L}^{-1} (rigorosamente: atividade unitária das espécies); sólido com estrutura cristalina mais estável nas condições de pressão e temperatura em questão.
(s) = sólido. (\ell) = líquido. (g) = gás. (aq) = aquoso. (conc) = concentrado. (ua) = unidades arbitrárias.
u.m.a. = unidade de massa atômica. [\text{X}] = concentração da espécie química \text{X} em \text{mol L}^{-1}
\ln \text{X} = 2{,}3\log \text{X}
Massas Molares
| Elemento Químico | Número Atômico | Massa Molar (\text{g mol}^{-1}) | Elemento Químico | Número Atômico | Massa Molar (\text{g mol}^{-1}) |
|---|---|---|---|---|---|
| H | 1 | 1,01 | S | 16 | 32,06 |
| C | 6 | 12,01 | K | 19 | 39,10 |
| N | 7 | 14,01 | Cr | 24 | 52,00 |
| O | 8 | 16,00 | Fe | 26 | 55,85 |
| Na | 11 | 22,99 | Zn | 30 | 65,38 |
| Cl | 17 | 35,45 | I | 53 | 126,90 |
Uma barra de zinco foi soldada a um tubo de ferro fundido para protegê-lo contra a corrosão, estando ambos enterrados no solo. Sabendo que uma corrente constante de 0{,}02\ \text{A} escoa entre os dois, responda:
a) Qual é a semirreação que ocorre na superfície da barra de zinco?
b) Como a reação descrita em (a) atua para proteger o ferro contra corrosão?
c) Como se chama este sistema de proteção contra a corrosão?
d) Qual deve ser a massa do metal consumida em 10 anos?
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Resolução comentada
a) O zinco tem potencial de redução menor que o do ferro (E^\circ_{\ce{Zn^{2+}/Zn}} = -0{,}76\ \text{V} e E^\circ_{\ce{Fe^{2+}/Fe}} = -0{,}44\ \text{V}). Por isso ele se oxida no lugar do ferro e funciona como ânodo:
Semirreação: \ce{Zn(s) -> Zn^{2+}(aq) + 2e^-}.
b) Os elétrons liberados pelo zinco passam pelo contato metálico (a solda) e chegam ao tubo de ferro. O ferro fica com excesso de elétrons e se comporta como cátodo, onde ocorre a redução do oxigênio ou da água do solo. Como o zinco se oxida mais facilmente, ele cede os elétrons e se consome no lugar do ferro. Isso impede a oxidação \ce{Fe -> Fe^{2+} + 2e^-} e mantém o tubo protegido, enquanto houver zinco.
O zinco se oxida preferencialmente e fornece elétrons ao ferro, que passa a ser o cátodo e não se oxida.
c) O metal que protege é mais reativo que o protegido e se sacrifica por ele. Esse sistema chama-se proteção catódica por ânodo de sacrifício (ou proteção galvânica).
Proteção catódica com ânodo de sacrifício.
d) O cálculo segue estes passos:
- Tempo: t = 10 \times 365 \times 24 \times 3600 = 3{,}15 \times 10^{8}\ \text{s}
- Carga: Q = i\,t = 0{,}02 \times 3{,}15\times10^{8} = 6{,}31\times 10^{6}\ \text{C}
- Mols de elétrons: n_{e^-} = \dfrac{6{,}31\times10^{6}}{9{,}65\times10^{4}} \approx 65{,}4\ \text{mol}
- Cada mol de \ce{Zn} libera 2 mol de elétrons, então n_{\ce{Zn}} = 65{,}4/2 \approx 32{,}7\ \text{mol}
- Massa: m = 32{,}7 \times 65{,}38 \approx 2{,}14\times10^{3}\ \text{g}
Massa de zinco consumida em 10 anos: \approx 2{,}1 \times 10^{3}\ \text{g} (cerca de 2,1 kg).
Assuntos: Corrosão e proteção de metais, Eletrólise.
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Fonte: ITA 2ª fase 2020 · Química. Prova oficial ↗