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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 8 (Química) da 2ª fase do ITA 2023

Química · Química: Eletrólise

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}\ \text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{A}\ \text{s}\ \text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{J}\ \text{V}^{-1}\ \text{mol}^{-1}

Carga elementar = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{C}

Constante dos gases (\text{R}) = 8{,}21 \times 10^{-2}\ \text{atm}\ \text{L}\ \text{K}^{-1}\ \text{mol}^{-1} = 8{,}31\ \text{J}\ \text{K}^{-1}\ \text{mol}^{-1} = 1{,}98\ \text{cal}\ \text{K}^{-1}\ \text{mol}^{-1}

Constante de Planck (\text{h}) = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \text{J}\ \text{s}

Velocidade da luz no vácuo = 3{,}0 \times 10^8\ \text{m}\ \text{s}^{-1}

Número de Euler (\text{e}) = 2{,}72

Definições

Pressão: 1\ \text{atm} = 760\ \text{Torr} = 1{,}01325 \times 10^5\ \text{N}\ \text{m}^{-2} = 1{,}01325\ \text{bar}

Energia: 1\ \text{J} = 1\ \text{N}\ \text{m} = 1\ \text{kg}\ \text{m}^2\ \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}, equivalente a um volume de um gás ideal de 22{,}4\ \text{L}.

Condições ambientes: 25\ ^\circ\text{C} e 1\ \text{atm}

Condições padrão: 1\ \text{bar}; concentração das soluções = 1\ \text{mol}\ \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. [X] = concentração da espécie química X em \text{mol}\ \text{L}^{-1}

\ln \text{X} = 2{,}3 \log \text{X}

Massas Molares

Elemento Químico Número Atômico Massa Molar (\text{g}\ \text{mol}^{-1}) Elemento Químico Número Atômico Massa Molar (\text{g}\ \text{mol}^{-1})
H 1 1,01 S 16 32,06
Li 3 6,94 Cl 17 35,45
C 6 12,01 Ca 20 40,08
N 7 14,01 Cu 29 63,55
O 8 16,00 Zn 30 65,38
Na 11 22,99 Br 35 79,90
Mg 12 24,31 Os 76 190,23
Al 13 26,98 Sg 106 269

O método de obtenção de magnésio metálico consiste nas seguintes etapas:

I. Uma amostra de carbonato de cálcio sólido é aquecida a altas temperaturas, formando um produto sólido A e um gasoso B.

II. Em seguida, o sólido A é tratado com água do mar, formando-se um hidróxido pouco solúvel que se ioniza formando os produtos C e D.

III. Os ânions D reagem com cátions \ce{Mg^{2+}} da água do mar. O resultado é um precipitado E.

IV. O composto E é separado por filtração e dissolvido por meio da adição de uma solução aquosa de ácido clorídrico.

V. A seguir, o solvente da solução é evaporado, obtendo-se o sal iônico F seco.

VI. Finalmente, o sal F é submetido a uma eletrólise ígnea.

Determine o que se pede.

a) Apresente as equações químicas balanceadas que representam as reações, identificando os produtos A, B, C, D, E e F formados.

b) Em relação à eletrólise ígnea, mostre as semi-equações que representam as semi-reações que ocorreram no anodo e no catodo, assim como a reação global.

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Resolução comentada

a) Vamos seguir cada etapa.

I. A decomposição térmica do carbonato de cálcio forma óxido de cálcio (sólido, A) e dióxido de carbono (gás, B):

\ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)}

II. O óxido de cálcio (cal virgem) reage com a água formando o hidróxido de cálcio, pouco solúvel, que se dissocia em cátions \ce{Ca^{2+}} (C) e ânions hidróxido \ce{OH-} (D):

\ce{CaO(s) + H2O(l) -> Ca(OH)2(s)}
\ce{Ca(OH)2(s) -> Ca^{2+}(aq) + 2 OH-(aq)}

III. Os íons \ce{OH-} precipitam o magnésio da água do mar como hidróxido de magnésio (E):

\ce{Mg^{2+}(aq) + 2 OH-(aq) -> Mg(OH)2(s)}

IV. O \ce{Mg(OH)2} é filtrado e neutralizado com HCl, formando cloreto de magnésio:

\ce{Mg(OH)2(s) + 2 HCl(aq) -> MgCl2(aq) + 2 H2O(l)}

V. A evaporação da água deixa o sal iônico F, o \ce{MgCl2} seco.

VI. A eletrólise ígnea do \ce{MgCl2} fundido leva ao magnésio metálico:

\ce{MgCl2(l) -> Mg(l) + Cl2(g)}

Resumo: A = CaO; B = \ce{CO2}; C = \ce{Ca^{2+}}; D = \ce{OH-}; E = \ce{Mg(OH)2}; F = \ce{MgCl2}.

b) Na eletrólise ígnea o sal está fundido, então só há os íons \ce{Mg^{2+}} e \ce{Cl-} (não há água competindo).

  • Catodo (polo negativo, ocorre redução): os cátions \ce{Mg^{2+}} ganham elétrons.
  • Anodo (polo positivo, ocorre oxidação): os ânions \ce{Cl-} perdem elétrons.

Semi-reações:

\text{Catodo: } \ce{Mg^{2+}(l) + 2 e- -> Mg(l)}
\text{Anodo: } \ce{2 Cl-(l) -> Cl2(g) + 2 e-}

Somando (os 2 elétrons se cancelam):

\ce{Mg^{2+}(l) + 2 Cl-(l) -> Mg(l) + Cl2(g)}

ou seja, \ce{MgCl2(l) -> Mg(l) + Cl2(g)}.

Catodo: \ce{Mg^{2+} + 2 e- -> Mg}; anodo: \ce{2 Cl- -> Cl2 + 2 e-}; global: \ce{MgCl2(l) -> Mg(l) + Cl2(g)}.

Assuntos: Eletrólise, Tipos de reações inorgânicas.

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Fonte: ITA 2ª fase 2023 · Química. Prova oficial ↗