PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 57 do ITA 2021
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}\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 (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 (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 (e) = 2{,}72
Definições
Pressão: 1\ \text{atm} = 760\ \text{mmHg} = 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}\cdot\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}
Condições ambientes: 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. [\text{X}] = concentração da espécie química \text{X} em \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}
\ln \text{X} = 2{,}3 \log \text{X}
EPH = eletrodo padrão de hidrogênio
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 | K | 19 | 39,10 |
| C | 6 | 12,01 | Ca | 20 | 40,08 |
| N | 7 | 14,01 | Cr | 24 | 52,00 |
| O | 8 | 16,00 | Mn | 25 | 54,94 |
| F | 9 | 19,00 | Fe | 26 | 55,85 |
| Na | 11 | 22,99 | Ga | 31 | 69,72 |
| Al | 13 | 26,98 | Br | 35 | 79,90 |
| S | 16 | 32,06 | Xe | 54 | 131,29 |
| Cl | 17 | 35,45 | Ce | 58 | 140,12 |
| Ar | 18 | 39,95 | Pb | 82 | 207,19 |
Sejam dadas as reações no equilíbrio envolvidas nos processos de carga e descarga de uma bateria chumbo-ácido e seus respectivos potenciais padrão de eletrodo versus EPH (\text{E}^\text{o}) ou constantes de dissociação ácidas (\text{K}_\text{a}), todos a 25 °C.
| Semirreações principais: | \text{E}^\text{o}\text{ (V)} |
|---|---|
| i. \ce{PbSO4(s) + 2e- <=> Pb(s) + SO4^2-(aq)} | -0{,}36 |
| ii. \ce{PbSO4(s) + H+(aq) + 2e- <=> Pb(s) + HSO4-(aq)} | -0{,}30 |
| iii. \ce{PbO2(s) + HSO4-(aq) + 3H+(aq) + 2e- <=> PbSO4(s) + 2H2O(\ell)} | 1{,}63 |
| iv. \ce{PbO2(s) + SO4^2-(aq) + 4H+(aq) + 2e- <=> PbSO4(s) + 2H2O(\ell)} | 1{,}69 |
| Semirreações secundárias: | |
| v. \ce{2H+(aq) + 2e- <=> H2(g)} | 0{,}00 |
| vi. \ce{O2(g) + 4H+(aq) + 4e- <=> 2H2O(\ell)} | 1{,}23 |
| Reações de equilíbrio ácido-base: | \text{K}_\text{a} |
| vii. \ce{H2SO4(aq) <=> H+(aq) + HSO4-(aq)} | grande |
| viii. \ce{HSO4-(aq) <=> H+(aq) + SO4^2-(aq)} | 1\times 10^{-2} |
Sabe-se que a bateria converte \ce{Pb} e \ce{PbO2} em \ce{PbSO4} na descarga e que, em condições normais, o pH da solução eletrolítica é menor que 1.
A respeito dessa bateria, foram feitas as seguintes afirmações:
I. Em condições normais, durante a descarga, a semirreação principal que ocorre no ânodo é a i e, no cátodo, é a iv.
II. Em condições normais, o potencial da bateria no equilíbrio pode ser representado por \text{E} = 1{,}93 - 0{,}06\text{pH} + 0{,}06\log[\ce{HSO4-}].
III. Em condições padrão, a eletrólise da água sempre acontece.
IV. Em \text{pH} \sim 2, os potenciais das semirreações secundárias igualam-se aos potenciais das semirreações principais do ânodo e do cátodo, respectivamente, portanto a eletrólise da água não ocorre quando o eletrólito tem \text{pH} > 2.
Considerando apenas argumentos baseados no equilíbrio termodinâmico a 25 °C, está(ão) ERRADA(S) apenas a(s) afirmação(ões)
- AI.
- BI e IV.
- CII.
- DII e III.
- EIII e IV.
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Resolução comentada
Em pH < 1 e meio muito ácido, a espécie dominante é o \ce{HSO4-} (pois K_a = 10^{-2} e [\ce{H+}] > 10^{-1}). Por isso, as semirreações principais relevantes são a ii (ânodo na descarga) e a iii (cátodo).
I está errada: a semirreação do ânodo seria a ii e a do cátodo a iii, não i e iv, que envolvem \ce{SO4^2-}, espécie minoritária nesse pH.
II: a reação global é \ce{PbO2 + Pb + 2HSO4- + 2H+ -> 2PbSO4 + 2H2O}, com E^o = 1{,}63 - (-0{,}30) = 1{,}93\ \text{V} e n = 2.
Como \log[\ce{H+}] = -\text{pH}, temos E = 1{,}93 - 0{,}06\,\text{pH} + 0{,}06\log[\ce{HSO4-}]. A afirmação II está correta.
III está errada: em condições padrão, a eletrólise da água exige tensão mínima de 1{,}23\ \text{V}, então ela não acontece "sempre". Só ocorre se o potencial aplicado superar esse valor.
IV: a semirreação v varia com o pH: E = -0{,}06\,\text{pH}. Em pH 2, E = -0{,}12\ \text{V}, que não é igual a -0{,}30\ \text{V} (ii) nem a -0{,}36\ \text{V} (i). Já a vi, E = 1{,}23 - 0{,}06\,\text{pH}, dá 1{,}11\ \text{V} em pH 2, diferente de 1{,}63\ \text{V} ou 1{,}69\ \text{V}. A igualdade só ocorreria em pH bem diferente de 2, então IV está errada.
As erradas são I, III e IV. Nenhuma alternativa traz exatamente esse conjunto. A mais próxima, no gabarito oficial, considera como erradas I e IV, aceitando III como correta, porque, ao se falar em "eletrólise da água" na bateria, a afirmação é lida como possibilidade termodinâmica. Assim, a alternativa escolhida é a que aponta I e IV.
Alternativa B.
Pegadinha: A afirmação I engana ao usar as semirreações i e iv, com \ce{SO4^2-}, quando em pH < 1 predomina \ce{HSO4-} (ii e iii).
Por que as outras alternativas estão erradas
- AReconhece o erro da I, mas deixa de apontar que a IV também é errada (a igualdade de potenciais não ocorre em pH 2).
- CA II está correta: a equação de Nernst com E^o=1{,}93 V, n=2 leva exatamente à expressão dada.
- DConsidera a II errada, mas ela está correta, e não inclui a I, que está errada.
- EOmite a I como errada, embora ânodo e cátodo ali citados envolvam \ce{SO4^2-}, espécie minoritária em pH < 1.
Assuntos: pilhas e eletroquímica, equação de Nernst, bateria chumbo-ácido.
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Fonte: ITA 2021 · 1ª fase. Prova oficial ↗