PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 10 (Química) da 2ª fase do ITA 2027
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.
(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}.
Massas Molares
| Elemento Químico | Número Atômico | Massa Molar (\text{g}\ \text{mol}^{-1}) |
|---|---|---|
| H | 1 | 1,01 |
| B | 5 | 10,80 |
| C | 6 | 12,01 |
| N | 7 | 14,01 |
| O | 8 | 16,00 |
| F | 9 | 19,00 |
| Na | 11 | 22,99 |
| Si | 14 | 28,09 |
| S | 16 | 32,06 |
| C\ell | 17 | 35,45 |
| K | 19 | 39,10 |
| Elemento Químico | Número Atômico | Massa Molar (\text{g}\ \text{mol}^{-1}) |
|---|---|---|
| Ca | 20 | 40,08 |
| Cr | 24 | 52,00 |
| Fe | 26 | 55,85 |
| Ni | 28 | 58,69 |
| Cu | 29 | 63,55 |
| Nb | 41 | 92,91 |
| Ag | 47 | 107,87 |
| Pt | 78 | 195,08 |
| Au | 79 | 196,97 |
| Hg | 80 | 200,59 |
| Bi | 83 | 208,98 |
As figuras abaixo apresentam peças de ferro submersas em meios aquosos com concentrações diferentes de íons e/ou oxigênio.
a) Considerando as regiões X e Y de cada barra em cada figura, qual é a área catódica e qual é a área anódica em cada item (em cada figura)? Explique simplificadamente.
b) Qual proteção contra a corrosão seria mais adequada para cada caso (itens 1 a 4): proteção anódica ou catódica? Explique simplificadamente.
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Resolução comentada
a) Em todas as figuras temos pilhas de concentração: o mesmo ferro está em contato com meios diferentes, e surge uma diferença de potencial entre as regiões X e Y. Na área anódica ocorre a oxidação, \ce{Fe -> Fe^{2+} + 2e^-}, e é ali que o metal se corrói. Na área catódica ocorre a redução, e os elétrons passam pela própria barra de ferro.
- Figura 1 (\ce{Fe^{2+}}): pela equação de Nernst, E = E^\circ - \frac{0{,}059}{2}\log\frac{1}{[\ce{Fe^{2+}}]}, o potencial de redução cresce com [\ce{Fe^{2+}}]. Logo, X (alta [\ce{Fe^{2+}}]) é o cátodo, onde o \ce{Fe^{2+}} tende a se reduzir. Y (baixa [\ce{Fe^{2+}}]) é o ânodo, onde o ferro se dissolve.
- Figura 2 (pH): a redução do oxigênio, \ce{O2 + 2H2O + 4e^- -> 4OH^-}, gera \ce{OH^-} e torna a região catódica alcalina. Na região ácida o ferro é atacado, \ce{Fe + 2H^+ -> Fe^{2+} + H2}. Portanto X (pH alto) é o cátodo e Y (pH baixo) é o ânodo.
- Figura 3 (aeração diferencial): o \ce{O2} é o oxidante da corrosão. Onde há mais \ce{O2} ele se reduz, então X é o cátodo. A região pouco aerada, Y, é o ânodo, e é ali que o ferro se corrói.
- Figura 4 (\ce{Cl^-}): o íon cloreto rompe a película protetora de óxido e forma complexos com o \ce{Fe^{2+}}, o que favorece a oxidação. Assim, X (alto [\ce{Cl^-}]) é o ânodo e Y (baixo [\ce{Cl^-}]) é o cátodo.
Resposta: cátodo/ânodo — (1) X/Y; (2) X/Y; (3) X/Y; (4) Y/X.
b) A proteção catódica é a mais adequada nos quatro casos. Ela consiste em ligar o ferro a um metal de menor potencial de redução (Zn, Mg), que age como ânodo de sacrifício, ou em aplicar corrente externa com o ferro no polo negativo. Assim, toda a peça passa a ser cátodo e a oxidação ocorre no metal de sacrifício, e não no ferro. Isso vale mesmo que o meio seja heterogêneo, com regiões anódicas e catódicas diferentes.
A proteção anódica só funciona para metais que formam película passivadora estável quando mantidos em potencial anódico controlado, como aços inoxidáveis. Ela é inadequada para o ferro comum nestes meios: o meio ácido (regiões Y das figuras 1 e 2) dissolve a película. Na figura 4, o \ce{Cl^-} a destrói, e aplicar potencial anódico aceleraria a corrosão por pite. Em meio alcalino (região X da figura 2) o ferro tende a se passivar, mas a peça tem também uma região ácida, e por isso a proteção anódica não resolve o conjunto.
Resposta: proteção catódica em todos os casos (1 a 4).
Assunto: Corrosão e proteção de metais.
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Fonte: ITA 2ª fase 2027 · Química. Prova oficial ↗