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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 13 (2º semestre · 1º dia · Grupo 1) da 2ª etapa da UFG 2011

2º semestre · 1º dia · Química: Pilhas e potencial de redução

As células combustíveis são dispositivos de conversão contínua de energia química em energia elétrica. Essas células funcionam pela reação entre o hidrogênio e o oxigênio, conforme as semirreações apresentadas a seguir.

\ce{2 H2O (l) + 2 e- <=> H2 (g) + 2 OH- (aq)} \quad \text{E}^0 = - 0{,}83\text{ V}
\ce{O2 (g) + 2 H2O (l) + 4 e- <=> 4 OH- (aq)} \quad \text{E}^0 = 0{,}40\text{ V}

A água resultante da reação entre \ce{H2 (g)} e \ce{O2 (g)} pode ser aproveitada para consumo dos tripulantes em espaçonaves ou ônibus espaciais.

Considerando as informações acima,

a) calcule a tensão gerada com 10 células idênticas montadas em série. (2,0 pontos)

b) calcule a massa de \ce{H2} necessária para produzir a quantidade de água suficiente para abastecimento diário de um ônibus espacial contendo seis tripulantes. Considere que o volume consumido por cada tripulante é de 1,5 L de água por dia e que a temperatura no interior da aeronave é igual a 25 °C.

Dado: densidade da água: 1 g/mL

(3,0 pontos)

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Resolução comentada

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a) A célula funciona como pilha: o cátodo é a semirreação de maior potencial de redução (a do \ce{O2}, +0{,}40\ \text{V}) e o ânodo é a de menor potencial (a do \ce{H2}, -0{,}83\ \text{V}), que ocorre no sentido da oxidação.

\Delta E^0 = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ânodo}} = 0{,}40 - (-0{,}83) = 1{,}23\ \text{V}

Em série, as tensões das células se somam. Com 10 células idênticas:

V = 10 \times 1{,}23 = 12{,}3\ \text{V}

Tensão gerada: 12,3 V.

b) Primeiro, escreva a reação global. Multiplicando por 2 a semirreação de oxidação do \ce{H2} (invertida) e somando com a de redução do \ce{O2}:

\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O}

A proporção é de 1 mol de \ce{H2} para 1 mol de \ce{H2O}.

  1. Volume diário de água: 6 \times 1{,}5\ \text{L} = 9{,}0\ \text{L} = 9000\ \text{mL}.
  2. Massa de água (densidade 1 g/mL): 9000\ \text{g}.
  3. Quantidade de matéria de água (M = 18\ \text{g/mol}): n = \dfrac{9000}{18} = 500\ \text{mol}.
  4. Pela estequiometria, n(\ce{H2}) = 500\ \text{mol}.
  5. Massa de \ce{H2} (M = 2\ \text{g/mol}): m = 500 \times 2 = 1000\ \text{g}.

A temperatura de 25 °C não altera o cálculo, pois a massa independe dela.

Massa de \ce{H2}: 1000 g (1 kg).

Assuntos: Pilhas e potencial de redução, Cálculo estequiométrico.

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Ver como caiu na prova Questão 13 no caderno Grupo 1 da 2ª etapa da UFG 2011

Fonte: UFG 2ª etapa 2011 · 2º semestre · 1º dia · Grupo 1. Prova oficial ↗