PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 1 (Química) da 2ª fase do ITA 2021
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 (\text{F}) = 9{,}65 \times 10^4\ \text{C}\cdot\text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{J}\cdot\text{V}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}
Carga elementar = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{C}
Constante dos gases (\text{R}) = 8{,}21 \times 10^{-2}\ \text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 8{,}31\ \text{J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 1{,}98\ \text{cal}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}
Constante de Planck (\text{h}) = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{s}
Velocidade da luz no vácuo = 3{,}0 \times 10^8\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}
Número de Euler (\text{e}) = 2{,}72
Definições
Pressão: 1\ \text{atm} = 760\ \text{mmHg} = 1{,}01325 \times 10^5\ \text{N}\cdot\text{m}^{-2} = 1{,}01325\ \text{bar}
Energia: 1\ \text{J} = 1\ \text{N}\cdot\text{m} = 1\ \text{kg}\cdot\text{m}^2\cdot\text{s}^{-2} = 6{,}24 \times 10^{18}\ \text{eV}
Condições normais de temperatura e pressão (CNTP): 0\ ^\circ\text{C} e 1\ \text{atm}
Condições ambientes: 25\ ^\circ\text{C} e 1\ \text{atm}
Condições padrão: 1\ \text{bar}; concentração das soluções = 1\ \text{mol}\cdot\text{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}\cdot\text{L}^{-1}
\ln \text{X} = 2{,}3 \log \text{X}
\text{EPH} = eletrodo padrão de hidrogênio
Massas Molares
| Elemento Químico | Número Atômico | Massa Molar (\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}) | Elemento Químico | Número Atômico | Massa Molar (\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}) |
|---|---|---|---|---|---|
| H | 1 | 1,01 | Ca | 20 | 40,08 |
| C | 6 | 12,01 | Cr | 24 | 52,00 |
| N | 7 | 14,01 | Fe | 26 | 55,85 |
| O | 8 | 16,00 | Ni | 28 | 58,69 |
| Na | 11 | 22,99 | Cu | 29 | 63,55 |
| Mg | 12 | 24,31 | Ga | 31 | 69,72 |
| Al | 13 | 26,98 | Ag | 47 | 107,87 |
| Cl | 17 | 35,45 | Au | 79 | 196,97 |
| S | 16 | 32,06 | Pb | 82 | 207,19 |
| K | 19 | 39,10 |
Sejam dados os seguintes pares redox e seus respectivos potenciais padrão de eletrodo, a 25 ºC.
| Semirreação | Eo (V versus EPH) | Semirreação | Eo (V versus EPH) |
|---|---|---|---|
| \ce{Mg^2+ + 2e- <=> Mg} | -2{,}37 | \ce{2H+ + 2e- <=> H2} | 0{,}00 |
| \ce{Al^3+ + 3e- <=> Al} | -1{,}66 | \ce{Cu^2+ + 2e- <=> Cu} | 0{,}34 |
| \ce{Cr^3+ + 3e- <=> Cr} | -0{,}74 | \ce{Ag+ + e- <=> Ag} | 0{,}80 |
| \ce{Fe^2+ + 2e- <=> Fe} | -0{,}44 | \ce{O2 + 4H+ + 4e- <=> 2H2O} | 1{,}23 |
| \ce{Pb^2+ + 2e- <=> Pb} | -0{,}13 | \ce{Au^3+ + 3e- <=> Au} | 1{,}50 |
Com base nessas informações, responda aos itens abaixo sobre a tendência à corrosão de metais em diferentes meios.
a) Apresente os elementos metálicos listados na tabela em ordem decrescente (do maior para o menor) de tendência à corrosão.
b) Se esses elementos metálicos forem mergulhados em uma solução desaerada de \ce{H2SO4} a 0{,}5\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}, quais deles sofrerão corrosão? Justifique.
c) Se a solução do item b) for aerada, a tendência à corrosão dos elementos metálicos será alterada? Se sim, quais sofrerão corrosão? Justifique.
d) Se os elementos metálicos forem mergulhados em uma solução aquosa desaerada de \ce{NaOH} a 1\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}, quais deles sofrerão corrosão? Justifique.
e) Se a solução do item d) for substituída por uma de \ce{NaOH} a 0{,}1\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1} e aerada, a tendência à corrosão dos elementos metálicos será alterada? Se sim, quais sofrerão corrosão? Justifique.
Dado eventualmente necessário: \log 2 = 0{,}3.
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Resolução comentada
a) Quanto menor o potencial padrão de redução, maior a tendência do metal a se oxidar (corroer). Ordenando do mais negativo para o mais positivo:
Mg > Al > Cr > Fe > Pb > Cu > Ag > Au
b) Em meio desaerado, o único oxidante é o \ce{H+}, que se reduz a \ce{H2}. O \ce{H2SO4} 0{,}5\ \text{mol/L} libera no máximo [\ce{H+}] \approx 1\ \text{mol/L}. Considerando só a 1ª ionização, [\ce{H+}] = 0{,}5\ \text{mol/L}. Pela equação de Nernst:
O resultado é praticamente 0\ \text{V}, nos dois casos. O metal corrói se seu E^\circ for menor que esse valor, ou seja, se a reação com \ce{H+} tiver \Delta E > 0. Isso vale para Mg, Al, Cr, Fe e Pb (-0{,}13\ \text{V} é menor que -0{,}02\ \text{V}). Cu, Ag e Au não são atacados.
Corroem: Mg, Al, Cr, Fe e Pb. (O Pb tende a se passivar com \ce{PbSO4}, mas a tendência termodinâmica existe.)
c) Sim. Com o meio aerado, o \ce{O2} passa a ser o oxidante:
Com [\ce{H+}] entre 0{,}5 e 1\ \text{mol/L}, o potencial fica em torno de 1{,}2\ \text{V}. Esse valor é maior que o E^\circ de todos os metais, exceto o do ouro (1{,}50\ \text{V}). Assim, além dos metais do item b, também Cu (0{,}34\ \text{V}) e Ag (0{,}80\ \text{V}) são oxidados pelo \ce{O2}.
Corroem: Mg, Al, Cr, Fe, Pb, Cu e Ag; só o Au resiste.
d) Em \ce{NaOH} 1\ \text{mol/L}, [\ce{OH-}] = 1\ \text{mol/L}, logo \text{pH} = 14 e [\ce{H+}] = 10^{-14}\ \text{mol/L}. Sem \ce{O2}, o oxidante é a água ou o \ce{H+}:
Só corroem os metais com E^\circ < -0{,}83\ \text{V}, isto é, Mg (-2{,}37\ \text{V}) e Al (-1{,}66\ \text{V}). O Cr (-0{,}74\ \text{V}) e os demais têm E^\circ maiores e não são oxidados. Adota-se aqui a simplificação de atividade unitária para os íons metálicos, como nos dados da tabela.
Corroem: Mg e Al.
e) Sim. Em \ce{NaOH} 0{,}1\ \text{mol/L}, \text{pH} = 13 e [\ce{H+}] = 10^{-13}\ \text{mol/L}. Com \ce{O2} presente (p_{\ce{O2}} \approx 1\ \text{atm}):
Corroem os metais com E^\circ < 0{,}46\ \text{V}: Mg, Al, Cr, Fe, Pb e Cu (0{,}34\ \text{V}). A Ag (0{,}80\ \text{V}) e o Au (1{,}50\ \text{V}) não corroem. A aeração aumenta bastante o número de metais atacados em relação ao item d.
Corroem: Mg, Al, Cr, Fe, Pb e Cu.
Assuntos: Corrosão e proteção de metais, Pilhas e potencial de redução.
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Fonte: ITA 2ª fase 2021 · Química. Prova oficial ↗