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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 18 (Química) do ITA 2018

Química · Química: Pilhas e potencial de redução

Texto-base das questões 01 a 20 · Química

Constante de Avogadro (\text{N}_\text{A}) = 6{,}02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}
Constante de Faraday (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}
Volume molar de gás ideal = 22{,}4\ \text{L (CNTP)}
Carga elementar = 1{,}602 \times 10^{-19}\ \text{C}
Constante dos gases (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} = 62{,}4\ \text{mmHg}\ \text{L}\ \text{K}^{-1}\ \text{mol}^{-1}
Constante gravitacional (g) = 9{,}81\ \text{m}\ \text{s}^{-2}
Constante de Planck (h) = 6{,}626 \times 10^{-34}\ \text{m}^2\ \text{kg}\ \text{s}^{-1}
Velocidade da luz no vácuo = 3{,}0 \times 10^8\ \text{m}\ \text{s}^{-1}
Número de Euler (e) = 2{,}72

DEFINIÇÕES

Pressão: 1\ \text{atm} = 760\ \text{mmHg} = 1{,}01325 \times 10^5\ \text{N}\ \text{m}^{-2} = 760\ \text{Torr} = 1{,}01325\ \text{bar}
Energia: 1\ \text{J} = 1\ \text{N}\ \text{m} = 1\ \text{kg}\ \text{m}^2\ \text{s}^{-2}
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: 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.
(\text{s}) = \text{sólido}. (\ell) = \text{líquido}. (\text{g}) = \text{gás}. (\text{aq}) = \text{aquoso}. (\text{CM}) = \text{circuito metálico}. (\text{conc}) = \text{concentrado}.
(\text{ua}) = \text{unidades arbitrárias}. [\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 Fe 26 55,85
He 2 4,00 Cu 29 63,55
C 6 12,01 Zn 30 65,38
N 7 14,01 Br 35 79,90
O 8 16,00 Pt 78 195,08
Na 11 22,99 Pb 82 207,2
S 16 32,06 Ra 88 (não possui isótopos estáveis)
Cl 17 35,45 U 92 238,03
Ca 20 40,08

Considere as seguintes semirreações de oxirredução e seus respectivos potenciais padrão na escala do eletrodo padrão de hidrogênio (EPH):

I. \ce{2CO2 + 12H+ + 12e- <=> C2H5OH + 3H2O} \quad \text{E}_\text{I}^\circ = 0{,}085\ \text{V}

II. \ce{O2 + 4H+ + 4e- <=> 2H2O} \quad \text{E}_\text{II}^\circ = 1{,}229\ \text{V}

Assinale a opção que apresenta a afirmação ERRADA sobre uma célula eletroquímica em que a semirreação I ocorre no anodo e a semirreação II, no catodo.

  1. A
    A reação global é exotérmica.
  2. B
    Trata-se de uma célula a combustível.
  3. C
    O potencial padrão da célula é de 1{,}144\ \text{V}.
  4. D
    O trabalho máximo que pode ser obtido é, em módulo, de 4.171\ \text{kJ} por mol de etanol.
  5. E
    A célula converte energia livre da reação de combustão do etanol em trabalho elétrico.
Escolha uma alternativa para conferir o gabarito.
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Resolução comentada

Se a semirreação I ocorre no anodo, ela acontece no sentido da oxidação: \ce{C2H5OH + 3H2O -> 2CO2 + 12H+ + 12e-}. No catodo, a II ocorre como redução. Para igualar os elétrons, multiplica-se a II por 3: \ce{3O2 + 12H+ + 12e- -> 6H2O}.

Somando, a reação global é a combustão do etanol: \ce{C2H5OH + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O}. Isso mostra que se trata de uma célula a combustível, que converte a energia livre da combustão em trabalho elétrico (B e E corretas). A combustão é exotérmica (A correta).

Potencial padrão da célula:

E^\circ = E^\circ_{cat} - E^\circ_{an} = 1{,}229 - 0{,}085 = 1{,}144\ \text{V}

Logo, C é correta.

Trabalho máximo por mol de etanol, com n = 12 mols de elétrons:

|W_{max}| = |\Delta G^\circ| = nFE^\circ = 12 \times 9{,}65\times10^4 \times 1{,}144
12 \times 9{,}65\times10^4 = 1{,}158\times10^6\ \text{C}
1{,}158\times10^6 \times 1{,}144 \approx 1{,}325\times10^6\ \text{J} \approx 1.325\ \text{kJ}

O valor da alternativa D, 4.171\ \text{kJ}, não confere com esse resultado. Ele é a afirmação errada.

Alternativa D.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • ACorreta: a reação global é a combustão do etanol, que é exotérmica.
  • BCorreta: o etanol é oxidado pelo O2 no eletrodo, o que caracteriza uma célula a combustível.
  • CCorreta: 1{,}229 - 0{,}085 = 1{,}144\ \text{V}.
  • ECorreta: a célula converte a energia livre da combustão em trabalho elétrico.

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

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Fonte: ITA 2018 · Química. Prova oficial ↗