Questão 14 (1º dia · Grupo 1) da 2ª etapa da UFG 2008

Question

Considere o sistema, a seguir, que é constituído de água contendo uma pequena quantidade de um eletrólito, juntamente com as semi-equações e os respectivos potenciais padrão de redução:

Esquema de eletrólise da água composto por um recipiente com H₂O(l) contendo dois tubos de ensaio invertidos, identificados como A e B. No interior de cada tubo há um eletrodo conectado a um fio condutor que sai da cuba.

\ce{O2(g) + 4H+(aq) + 4e- -> 2H2O(l)} \quad E^0 = +1{,}229\text{ V}

\ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)} \quad E^0 = 0\text{ V}

Ao se conectar uma bateria que forneça tensão suficiente, observa-se a formação de bolhas na superfície de cada um dos eletrodos. Considerando essa situação,

a) escreva a(s) equação(ões) que representa(m) o(s) produtos(s) formado(s) em cada eletrodo; (1,5 pontos)

b) explique por que o pH resultante em um dos tubos é ácido e no outro, neutro; (1,5 pontos)

c) explique como identificar, visualmente, qual o produto formado em cada tubo. (2,0 pontos)

Answer 1

PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 14 (1º dia · Grupo 1) da 2ª etapa da UFG 2008

1º dia · Química: Eletrólise

Considere o sistema, a seguir, que é constituído de água contendo uma pequena quantidade de um eletrólito, juntamente com as semi-equações e os respectivos potenciais padrão de redução:

Esquema de eletrólise da água composto por um recipiente com H₂O(l) contendo dois tubos de ensaio invertidos, identificados como A e B. No interior de cada tubo há um eletrodo conectado a um fio condutor que sai da cuba.

\ce{O2(g) + 4H+(aq) + 4e- -> 2H2O(l)} \quad E^0 = +1{,}229\text{ V}

\ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)} \quad E^0 = 0\text{ V}

Ao se conectar uma bateria que forneça tensão suficiente, observa-se a formação de bolhas na superfície de cada um dos eletrodos. Considerando essa situação,

a) escreva a(s) equação(ões) que representa(m) o(s) produtos(s) formado(s) em cada eletrodo; (1,5 pontos)

b) explique por que o pH resultante em um dos tubos é ácido e no outro, neutro; (1,5 pontos)

c) explique como identificar, visualmente, qual o produto formado em cada tubo. (2,0 pontos)

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Resolução comentada

a) A figura não mostra os polos da bateria. Por isso, a identificação depende de qual tubo está ligado a qual polo.

O eletrodo ligado ao polo negativo é o cátodo, onde ocorre a redução. Nele se forma \ce{H2}:

\ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)} \quad (\text{ou } \ce{2H2O(l) + 2e- -> H2(g) + 2OH-(aq)})

O eletrodo ligado ao polo positivo é o ânodo, onde ocorre a oxidação da água. Nele se forma \ce{O2}, que é a semi-equação do \ce{O2} escrita ao contrário:

\ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-}

Multiplicando a primeira por 2 e somando, a reação global é:

\ce{2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)}

O potencial mínimo é 0 - 1{,}229 = -1{,}229\ \text{V}. Por isso a bateria precisa fornecer tensão de pelo menos 1{,}229\ \text{V}.

Cátodo: \ce{H2}. Ânodo: \ce{O2}.

b) No ânodo, a oxidação da água libera \ce{H+} (4 mol de \ce{H+} para cada mol de \ce{O2}). A concentração de \ce{H+} aumenta e o pH fica ácido no tubo do ânodo, onde sai \ce{O2}.

No cátodo, a semi-equação do enunciado consome \ce{H+} e não produz nenhuma espécie ácida. Nesse tubo, o consumo de \ce{H+} é compensado pela autoionização da água e pela migração dos íons \ce{H+} vindos do ânodo. Assim, o meio não se acidifica e fica aproximadamente neutro (se não houvesse migração, tenderia a ficar levemente básico).

Ânodo (\ce{O2}): meio ácido, porque se produz \ce{H+}. Cátodo (\ce{H2}): meio neutro, porque não se produz \ce{H+} e o que é consumido é reposto.

c) A proporção da reação global é 2\ \ce{H2} : 1\ \ce{O2}. Nas mesmas condições de temperatura e pressão, o volume de gás é proporcional ao número de mols.

Portanto, o tubo em que o nível de líquido mais baixou, ou seja, o que acumulou o dobro do volume de gás, contém \ce{H2}. Esse tubo é o do eletrodo ligado ao polo negativo. O tubo com metade desse volume contém \ce{O2}, e é o do eletrodo ligado ao polo positivo.

Outra forma de identificar é pelo comportamento dos gases. O \ce{H2} queima com pequena explosão (estalido) ao se aproximar uma chama. O \ce{O2} reacende um palito em brasa.

O tubo com o dobro do volume de gás contém \ce{H2}. O tubo com metade do volume contém \ce{O2}.

Assuntos: Eletrólise, pH, pOH e indicadores.

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Questão 14 no caderno Grupo 1 da 2ª etapa da UFG 2008

Fonte: UFG 2ª etapa 2008 · 1º dia · Grupo 1. Prova oficial ↗