PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 7 (Química) da 2ª fase do ITA 2026
Texto-base das questões 01 a 10 · Química
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{Torr} = 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}\ \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}, equivalente a um volume de um gás ideal de 22{,}4\ \text{L}.
Condições ambiente: 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.
(\text{s}) = \text{sólido}. (\ell) = \text{líquido}. (\text{g}) = \text{gás}. (\text{aq}) = \text{aquoso}. (\text{conc}) = \text{concentrado}. (\text{ua}) = \text{unidades arbitrárias}. \text{u.m.a.} = \text{unidade de massa atômica}. [\text{X}] = \text{concentração da espécie química X em mol}\ \text{L}^{-1}.
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 | Ca | 20 | 40,08 |
| B | 5 | 10,80 | Cr | 24 | 52,00 |
| C | 6 | 12,01 | Fe | 26 | 55,85 |
| N | 7 | 14,01 | Ni | 28 | 58,69 |
| O | 8 | 16,00 | Cu | 29 | 63,55 |
| F | 9 | 19,00 | Nb | 41 | 92,91 |
| Na | 11 | 22,99 | Ag | 47 | 107,87 |
| Si | 14 | 28,09 | Pt | 78 | 195,08 |
| S | 16 | 32,06 | Au | 79 | 196,97 |
| \text{C}\ell | 17 | 35,45 | Hg | 80 | 200,59 |
| K | 19 | 39,10 | Bi | 83 | 208,98 |
Uma célula fotoeletroquímica utiliza um semicondutor sensível à luz como eletrodo fotoativo, capaz de promover a decomposição da água pela energia luminosa, gerando hidrogênio (\ce{H2}) no cátodo e oxigênio (\ce{O2}) no ânodo:
O semicondutor absorve luz com comprimento de onda máximo de 450\text{ nm}. A energia dessa luz é utilizada para excitar elétrons e iniciar a reação de oxirredução da água. Suponha que cada fóton absorvido gere um elétron.
a) Escreva as semirreações que ocorrem no cátodo e no ânodo durante a decomposição da água.
b) Sabendo que o semicondutor absorve luz com comprimento de onda igual a 450\text{ nm}, determine o valor numérico da energia fornecida pela luz no processo fotoeletroquímico para gerar 1\text{ mol} de \ce{H2} pela decomposição da água.
c) Suponha que a célula receba uma potência luminosa de 10\text{ W}\cdot\text{m}^{-2} durante 1 hora, com fótons de 450\text{ nm} incidindo em uma área de 0{,}2\text{ m}^2. Determine o valor numérico da quantidade máxima de \ce{H2}, em mols, que poderia ser gerada nesse tempo, assumindo eficiência quântica de 100\%.
d) Sabendo que o tanque de um carro movido a hidrogênio armazena 5{,}65\text{ kg} de \ce{H2} comprimido a 700\text{ bar}, determine o valor numérico da energia mínima necessária para gerar essa quantidade de gás pela fotodecomposição da água, utilizando o semicondutor. Despreze os efeitos da alta pressão.
e) Determine o valor numérico do comprimento de onda máximo, em nm, que um semicondutor deveria absorver para que, de forma hipotética, a energia da luz incidente seja suficiente para gerar 5{,}65\text{ kg} de \ce{H2}, igualando a energia liberada na combustão dessa mesma quantidade de gás. Considere que não há perdas energéticas no processo e que existe uma proporção 1:1 entre elétrons e fótons.
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Resolução comentada
a)
O hidrogênio é gerado no cátodo, onde ocorre a redução. O oxigênio é gerado no ânodo, onde ocorre a oxidação. Em meio neutro ou básico:
- Cátodo (redução): \ce{2H2O(l) + 2e^- -> H2(g) + 2OH^-(aq)}
- Ânodo (oxidação): \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H^+(aq) + 4e^-}
Para o balanço de elétrons fechar, a semirreação do cátodo deve ocorrer 2 vezes. Somando, obtém-se \ce{2H2O -> 2H2 + O2}. Em meio ácido, o cátodo seria \ce{2H^+ + 2e^- -> H2}.
Cátodo: \ce{2H2O + 2e^- -> H2 + 2OH^-}; ânodo: \ce{2H2O -> O2 + 4H^+ + 4e^-}.
b)
Cada fóton gera 1 elétron, e cada \ce{H2} exige 2 elétrons. Portanto, 1 mol de \ce{H2} consome 2 mol de fótons.
Energia de um fóton de 450 nm:
Energia de 1 mol de fótons:
Para 1 mol de \ce{H2}, são 2 mol de fótons:
Aproximadamente 5{,}32\times10^{5}\ \text{J} (532 kJ) por mol de \ce{H2}.
c)
Energia recebida:
Mols de fótons:
Com eficiência quântica de 100%, há 0,027 mol de elétrons. Como são necessários 2 elétrons por \ce{H2}:
Cerca de 1{,}4\times10^{-2} mol de \ce{H2}.
d)
Mols de \ce{H2} no tanque (M=2{,}02\ \text{g/mol}):
Usando o semicondutor de 450 nm, cada mol de \ce{H2} requer 532 kJ de luz:
A pressão é desprezada, como pede o enunciado.
Aproximadamente 1{,}5\times10^{9}\ \text{J} (1{,}5\times10^{6} kJ).
e)
A energia liberada na combustão de 1 mol de \ce{H2} é 572/2 = 286\ \text{kJ}. Essa é a energia que a luz deve fornecer, e ela deve ser fornecida por 2 mol de fótons. Logo, cada mol de fótons carrega:
De E = \dfrac{h c N_A}{\lambda}, obtém-se:
A razão é a mesma para qualquer quantidade de gás, então o resultado vale também para os 5,65 kg.
\lambda_{\text{máx}}\approx 837\ \text{nm} (cerca de 8{,}4\times10^{2} nm).
Assuntos: Eletrólise, Modelos atômicos, Reações de oxirredução e balanceamento redox.
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Fonte: ITA 2ª fase 2026 · Química. Prova oficial ↗