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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 8 (Química) da 2ª fase do ITA 2021

Química · Química: Pilhas e potencial de redução

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

Considere a reação de oxirredução não balanceada de um mol de sulfato de chumbo com ácido hipocloroso, a 25 °C.

1\ce{PbSO4(s) + HOCl(aq) -> Cl2(g) + PbO2(s) + HSO4-(aq) + H+(aq)}

Para esta reação, a variação de entalpia padrão é \Delta\mathbf{H}_\mathbf{r}^\mathbf{o} = +19{,}9\text{ kJ}. Sabe-se que o potencial de eletrodo padrão da espécie que sofre oxidação é +1{,}63\text{ V} e o da espécie que sofre redução é +1{,}61\text{ V}.

a) Escreva as semirreações, a reação global balanceada e o potencial padrão da reação global.

b) Determine a variação de energia interna da reação (\Delta\mathbf{U}_\mathbf{r}^\mathbf{o}), considerando comportamento ideal das espécies.

c) Justifique termodinamicamente a diferença entre os valores de \Delta\mathbf{H}_\mathbf{r}^\mathbf{o} e \Delta\mathbf{U}_\mathbf{r}^\mathbf{o} para a reação acima.

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Resolução comentada

a) Primeiro identifique quem oxida e quem reduz. O Pb passa de \ce{Pb^{2+}} (no \ce{PbSO4}) para \ce{Pb^{4+}} (no \ce{PbO2}) e oxida. O Cl passa de +1 (no \ce{HOCl}) para 0 (no \ce{Cl2}) e reduz.

Semirreações, balanceadas em meio ácido (átomos e cargas):

  • Oxidação: \ce{PbSO4(s) + 2H2O(l) -> PbO2(s) + HSO4-(aq) + 3H+(aq) + 2e-}, com E^\circ = +1{,}63\ \text{V}
  • Redução: \ce{2HOCl(aq) + 2H+(aq) + 2e- -> Cl2(g) + 2H2O(l)}, com E^\circ = +1{,}61\ \text{V}

Somando as duas, os elétrons, 2\ \ce{H2O} e 2\ \ce{H+} se cancelam:

\ce{PbSO4(s) + 2HOCl(aq) -> Cl2(g) + PbO2(s) + HSO4-(aq) + H+(aq)}

O potencial padrão da reação é o da redução menos o da espécie que oxida (ambos como potenciais de redução):

\Delta E^\circ = 1{,}61 - 1{,}63 = -0{,}02\ \text{V}

Como \Delta E^\circ<0, a reação não é espontânea nas condições padrão.

Semirreações acima; reação global: \ce{PbSO4 + 2HOCl -> Cl2 + PbO2 + HSO4- + H+}; \Delta E^\circ = -0{,}02\ \text{V}.

b) A relação entre entalpia e energia interna é \Delta H = \Delta U + \Delta(PV). Para gás ideal e sólidos/líquidos de volume desprezível, \Delta H = \Delta U + \Delta n_{gas}RT.

Na reação balanceada, só o \ce{Cl2} é gasoso e aparece nos produtos, então \Delta n_{gas} = +1.

  1. \Delta n_{gas}RT = 1 \times 8{,}31 \times 298 \approx 2{,}48\times10^3\ \text{J} = 2{,}48\ \text{kJ}
  2. \Delta U = 19{,}9 - 2{,}48 \approx 17{,}4\ \text{kJ}

\Delta U_r^\circ \approx +17{,}4\ \text{kJ}

c) A reação produz 1 mol de gás (\Delta n_{gas}>0), então o sistema se expande contra a pressão externa constante. Ao se expandir, ele realiza trabalho sobre a vizinhança: w = -P\Delta V = -\Delta n_{gas}RT = -2{,}48\ \text{kJ}.

A pressão constante, o calor trocado é a entalpia: q_p = \Delta H. Pela primeira lei, \Delta U = q + w, logo \Delta H = \Delta U + P\Delta V.

Parte do calor absorvido da vizinhança (19{,}9\ \text{kJ}) é gasta no trabalho de expansão (2{,}48\ \text{kJ}). Só o restante (17{,}4\ \text{kJ}) aumenta a energia interna.

\Delta H > \Delta U porque há formação líquida de gás: \Delta H - \Delta U = P\Delta V = \Delta n_{gas}RT \approx 2{,}48\ \text{kJ}, energia que sai do sistema como trabalho de expansão.

Assuntos: Pilhas e potencial de redução, Entropia e energia livre de Gibbs.

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Fonte: ITA 2ª fase 2021 · Química. Prova oficial ↗