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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 9 da UNICAMP 2027

1ª fase · Química: Pilhas e potencial de redução

A nanotecnologia é a área que investiga materiais em escala nanométrica, na qual suas propriedades podem diferir das observadas em maiores dimensões. Uma estratégia para obtenção de nanoestruturas, com diferentes propriedades, é a utilização de reações de substituição galvânica.

Considere um experimento em que a substituição galvânica consistiu, simplificadamente, em colocar em contato nanocubos de prata pura numa solução de um dado íon metálico. Nesse processo, os nanocubos de prata metálica foram transformados em nanoestruturas de liga metálica à base de prata, com alterações na sua composição e morfologia.

Dados: Escala horizontal de potencial de redução apresentando cinco pontos marcados da esquerda para a direita: Pt²⁺/Pt com +1,20 V; Au³⁺/Au com +0,93 V; Ag⁺/Ag com +0,80 V; Cu²⁺/Cu com +0,34 V; e Zn²⁺/Zn com -0,76 V. Abaixo da reta há a legenda Potencial de redução.

Considere essas informações e o fato de que as imagens apresentadas nas alternativas serem apenas ilustrativas e fora da escala. A alternativa que descreve corretamente o íon utilizado na substituição galvânica e a transformação da morfologia do nanocubo é

  1. A
    \ce{Au^{3+}}; Esquema ilustrando um cubo metálico liso à esquerda, uma seta preta apontando para a direita e um cubo metálico idêntico e liso à direita.
  2. B
    \ce{Au^{3+}}; Esquema ilustrando um cubo metálico liso à esquerda, uma seta preta apontando para a direita e uma nanoestrutura cúbica oca e altamente porosa à direita.
  3. C
    \ce{Cu^{2+}}; Esquema ilustrando um cubo metálico liso à esquerda, uma seta preta apontando para a direita e um cubo metálico idêntico e liso à direita.
  4. D

    \ce{Cu^{2+}}; Esquema ilustrando um cubo metálico liso à esquerda, uma seta preta apontando para a direita e uma nanoestrutura cúbica oca e altamente porosa à direita.

    (Texto e figuras adaptados de JENKINS, S.V.; GOHMAN, T.D.; MILLER ,E.K.; CHEN, J. J. CHEM. (...) J. Chem. Educ., v. 92, n. 6, p. 1056–1060, 2015.)

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Resolução comentada

Na substituição galvânica, a prata metálica só se oxida se o íon da solução tiver potencial de redução maior que o do par \ce{Ag+/Ag} (+0{,}80\ \text{V}). Assim, o íon é reduzido e a prata é oxidada.

Comparando os íons das alternativas:

  1. \ce{Au^{3+}/Au}: E = +0{,}93\ \text{V}, maior que +0{,}80\ \text{V}, então a reação ocorre.
  2. \ce{Cu^{2+}/Cu}: E = +0{,}34\ \text{V}, menor que +0{,}80\ \text{V}, então não ocorre. O cobre não oxida a prata, e o \ce{Cu^{2+}} não reage com ela.

O íon é, portanto, o \ce{Au^{3+}}, o que elimina C e D.

A reação global é:

\ce{3 Ag + Au^{3+} -> 3 Ag+ + Au}

Para cada átomo de ouro depositado, três átomos de prata saem do cubo e passam para a solução como \ce{Ag+}. O ouro formado se deposita e forma uma liga com a prata restante. Como saem mais átomos do que entram, o interior do nanocubo se esvazia e a estrutura fica oca e porosa, mantendo o formato cúbico. Isso corresponde à imagem do cubo oco e poroso, e não à do cubo liso inalterado.

Alternativa B.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • AAcerta o íon \ce{Au^{3+}}, mas ignora que saem 3 Ag para cada Au depositado, o que deixa o cubo oco e poroso, não liso e igual.
  • CO \ce{Cu^{2+}} tem potencial menor que o da prata, então não oxida a prata e não há reação; a morfologia inalterada também não descreve a substituição.
  • DAssocia a estrutura oca ao \ce{Cu^{2+}}, mas ele tem potencial de redução menor que o do \ce{Ag+} e não promove a substituição galvânica.

Assuntos: Pilhas e potencial de redução, Reações de oxirredução e balanceamento redox.

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Fonte: Comvest/Vestibular Unicamp 2027. Prova oficial ↗