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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 20 (Química) do ITA 2014

Química · Química: Pilhas e potencial de redução

Texto-base das questões 01 a 20 · Química

Constante de Avogadro = 6{,}02 \times 10^{23}\text{ mol}^{-1}
Constante de Faraday (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}
Volume molar de gás ideal = 22{,}4\text{ L}\quad (\text{CNTP})
Carga elementar = 1{,}602 \times 10^{-19}\text{ C}
Constante dos gases (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} =
\quad 62{,}4\text{ mmHg} \cdot \text{L} \cdot \text{K}^{-1} \cdot \text{mol}^{-1}
Constante gravitacional (g) = 9{,}81\text{ m} \cdot \text{s}^{-2}

DEFINIÇÕES

Pressão de 1\text{ atm} = 760\text{ mmHg} = 101\,325\text{ N} \cdot \text{m}^{-2} = 760\text{ Torr}

1\text{ J} = 1\text{ N} \cdot \text{m} = 1\text{ kg} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{s}^{-2} ; 1\text{ pm} = 1 \times 10^{-12}\text{ m} ; 1\text{ eV} = 1{,}602 \times 10^{-19}\text{ J}

Condições normais de temperatura e pressão (CNTP): 0\ ^\circ\text{C} e 760\text{ mmHg}

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

Condições-padrão: 25\ ^\circ\text{C} e 1\text{ atm} ; 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) = \text{sólido}. (\ell) = \text{líquido}. (g) = \text{gás}. (aq) = \text{aquoso}. (CM) = \text{circuito metálico}. (conc) = \text{concentrado}.

(ua) = \text{unidades arbitrárias}. [A] = \text{concentração da espécie química } A\text{ em }\text{mol} \cdot \text{L}^{-1}.

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 Ti 22 47,87
B 5 10,81 Cr 24 52,00
C 6 12,01 Ni 28 58,69
N 7 14,01 Cu 29 63,55
O 8 16,00 Zn 30 65,38
F 9 19,00 As 33 74,92
Na 11 22,99 Se 34 78,96
Mg 12 24,31 Ag 47 107,90
Al 13 26,98 Sn 50 118,70
P 15 30,97 Te 52 127,60
S 16 32,07 I 53 126,90
\text{C}\ell 17 35,45 Xe 54 131,30
Ar 18 39,95 Au 79 197,00
K 19 39,10 U 92 238,00

Considere uma célula a combustível alcalina (hidrogênio-oxigênio) sobre a qual são feitas as seguintes afirmações:

I. Sob condição de consumo de carga elétrica, a voltagem efetiva de serviço desse dispositivo eletroquímico é menor que a força eletromotriz da célula.
II. O combustível (hidrogênio gasoso) é injetado no compartimento do anodo e um fluxo de oxigênio gasoso alimenta o catodo dessa célula eletroquímica.
III. Sendo o potencial padrão dessa célula galvânica igual a 1{,}229\text{ V}_{\text{EPH}} (volt na escala padrão do hidrogênio), a variação de energia livre de Gibbs padrão (\Delta G^\circ) da reação global do sistema redox atuante é igual a - 237{,}2\text{ kJ}\boldsymbol{\cdot}\text{mol}^{-1}.

Das afirmações acima, está(ão) CORRETA(S) apenas

  1. A
    I.
  2. B
    I, II e III.
  3. C
    I e III.
  4. D
    II.
  5. E
    II e III.
Escolha uma alternativa para conferir o gabarito.
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Resolução comentada

Vamos avaliar cada afirmação.

I (correta). A força eletromotriz é a voltagem máxima, medida sem passagem de corrente. Quando a célula fornece corrente, há perdas por resistência interna e polarização (sobrepotenciais), então a voltagem efetiva de serviço é menor que a fem.

II (correta). Na célula alcalina, o \ce{H2} é oxidado no anodo e o \ce{O2} é reduzido no catodo:

Anodo: \ce{H2 + 2OH- -> 2H2O + 2e-}

Catodo: \ce{1/2 O2 + H2O + 2e- -> 2OH-}

O combustível entra no anodo e o oxigênio no catodo, como diz a afirmação.

III (correta). Usa-se \Delta G^\circ = -nFE^\circ. Para a reação global \ce{H2 + 1/2 O2 -> H2O}, n = 2 mol de elétrons:

  1. \Delta G^\circ = -2 \times 9{,}65\times10^4 \times 1{,}229
  2. 2 \times 9{,}65\times10^4 = 1{,}93\times10^5
  3. 1{,}93\times10^5 \times 1{,}229 \approx 2{,}372\times10^5\ \text{J}

Logo \Delta G^\circ \approx -237{,}2\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}, igual ao valor dado.

As três afirmações estão corretas.

Alternativa B.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • AConsidera só a I, mas II e III também são verdadeiras.
  • CExclui a II, que descreve corretamente H2 no anodo e O2 no catodo.
  • DSó a II seria correta ignora que I e III também são verdadeiras.
  • EExclui a I, mas a voltagem em serviço é de fato menor que a fem por perdas internas.

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

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Fonte: ITA 2014 · Química. Prova oficial ↗