PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 57 do ITA 2020

1ª fase · Química

Texto-base das questões 56 a 70 · 1ª fase

Constantes

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{,}60 \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}
Constante gravitacional (g) = 9{,}81\ \text{m}\ \text{s}^{-2}
Constante de Planck (h) = 6{,}63 \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 atm = 760\ \text{mmHg} = 1{,}01325 \times 10^5\ \text{N}\ \text{m}^{-2} = 1{,}01325\ \text{bar}
Energia:1 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 760\ \text{mmHg}
Condições ambientes: 25^\circ\ \text{C} e 1 atm
Condições padrão:1 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 Cl 17 35,45
C 6 12,01 K 19 39,10
N 7 14,01 Cu 29 63,55
O 8 16,00 Br 35 79,90
Na 11 23,00 Ag 47 107,87
P 15 30,97 I 53 126,90
S 16 32,06

Considere uma bateria de fluxo de hidrogênio gasoso (\ce{H2}) e bromo líquido (\ce{Br2}) operando nas condições padrão. Durante a descarga, a bateria converte \ce{H2} e \ce{Br2} em ácido bromídrico (\ce{HBr}). As reações de meia célula e os respectivos potenciais-padrão de eletrodo, a 298 K, são:

\text{Anodo, } \ce{H2 -> 2H+ + 2e-} \quad (E^o = 0\text{ V}) \qquad \text{Catodo, } \ce{Br2 + 2e- -> 2Br-} \quad (E^o = 1{,}087\text{ V})

A dissociação da água pode ser observada pelo efeito da seguinte semirreação:

\ce{O2 + 4e- + 4H+ -> 2H2O} \quad E^o = 1{,}229\text{ V}

A formação de complexos iônicos de polibrometo ocorre segundo as reações e suas respectivas constantes de equilíbrio:

\ce{Br2 + Br- <=> Br3-} \quad K_3 = 16{,}7 \qquad \ce{2Br2 + Br- <=> Br5-} \quad K_5 = 37{,}7

Sejam feitas as seguintes afirmações a respeito dessa bateria:

I. O potencial da célula pode ser aproximado pela equação: E_{catodo} - E_{anodo} = 1{,}087 + 0{,}06\ pH.

II. O solvente (água) é termodinamicamente estável somente a pH < 2{,}4.

III. Recarregar a bateria com um potencial catódico inferior a 1{,}229\text{ V} garante a estabilidade do solvente.

IV. Durante a descarga da bateria, a concentração do \ce{HBr} aumenta e podem formar complexos iônicos de \ce{Br3-} e \ce{Br5-}.

Das afirmações acima, estão CORRETAS

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

Analise afirmação por afirmação.

I. O anodo é \ce{H2 -> 2H+ + 2e-}, com E = 0 - 0{,}06\,\text{pH} (Nernst: E = -\frac{0{,}06}{2}\log[\ce{H+}]^2 = -0{,}06\cdot(-\text{pH})... conferindo o sinal: para a oxidação escrita como redução \ce{2H+ + 2e- -> H2}, E = -0{,}06\,\text{pH}). Logo E_{anodo} = -0{,}06\,\text{pH}, e E_{catodo} - E_{anodo} = 1{,}087 + 0{,}06\,\text{pH}. Correta.

II. A água é estável se o potencial do \ce{O2} não for atingido. Para \ce{O2 + 4e- + 4H+ -> 2H2O}: E = 1{,}229 - 0{,}06\,\text{pH}. O \ce{Br2} (1,087 V) só não oxida a água se 1{,}087 < 1{,}229 - 0{,}06\,\text{pH}, isto é:

0{,}06\,\text{pH} < 0{,}142 \Rightarrow \text{pH} < 2{,}37 \approx 2{,}4

Correta (no contexto da bateria).

III. Na recarga, o potencial do catodo (lado do \ce{Br2}) precisa ficar abaixo do potencial de formação do \ce{O2}, que é 1{,}229 - 0{,}06\,\text{pH}, e não simplesmente abaixo de 1,229 V. Em pH > 0 esse valor é menor que 1,229 V, então um potencial um pouco abaixo de 1,229 V já pode oxidar a água. Incorreta.

IV. Na descarga, \ce{H2 + Br2 -> 2HBr}: o \ce{HBr} se forma e sua concentração aumenta. Com mais \ce{Br-} e \ce{Br2} presentes, as reações de equilíbrio com K_3 e K_5 produzem \ce{Br3-} e \ce{Br5-}. Correta.

Corretas: I, II e IV.

Alternativa A.

Pegadinha: A afirmação III engana ao usar 1,229 V (valor em pH 0) sem corrigir pelo pH, que diminui o potencial do \ce{O2}.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • BInclui a III, falsa, e exclui a II e a IV, que são corretas.
  • CExclui a I, que está correta pela equação de Nernst do anodo.
  • DInclui a III, falsa, e deixa de fora a I e a II.
  • EA III é falsa, pois o limite de estabilidade da água depende do pH.

Assuntos: equação de Nernst, eletroquímica, pilhas e baterias.

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Fonte: ITA 2020 · 1ª fase. Prova oficial ↗