08 (VUNESP-SP) Mergulha-se uma lâmina limpa de níquel em uma solução azul de sulfato de cobre. Observa-se que a lâmina fica recoberta por um depósito escuro e que, passado algum tempo, a solução se torna verde. Explique o que ocorreu:
a) na lâmina de níquel;
b) na solução.

Passo 1

O enunciado nos dá o seguinte experimento e observações:
  • Uma lâmina limpa de níquel ( \mathrm{Ni(s)}) é mergulhada numa solução azul de sulfato de cobre, isto é, numa solução contendo \mathrm{CuSO_4(aq)} — portanto há íons \mathrm{Cu^{2+}(aq)} na solução.
  • Observa-se que a lâmina fica recoberta por um depósito escuro.
  • Observa-se que, com o tempo, a solução torna-se verde.
As perguntas pedem:
a) explicar o que ocorreu na lâmina de níquel;
b) explicar o que ocorreu na solução.

Passo 2

Conceitos básicos (explicação didática e direta, tipo “cola de prova”):
  • Reações envolvendo metais em soluções de sais costumam ser reações de oxirredução (redox), em que uma espécie perde elétrons (oxida) e outra ganha elétrons (reduz).
  • Definições simples:
    • Oxidação = perda de elétrons. Ex.: algo passa de estado mais neutro para carregado positivamente.
    • Redução = ganho de elétrons. Ex.: um íon positivo recebe elétrons e vira metal.
  • Série de atividade / potenciais padrões: um metal mais reativo facilmente se oxida (vira íon) e pode deslocar um metal menos reativo presente como íon na solução. Assim, se o níquel é mais reativo que o cobre, o níquel tende a oxidar e o íon \mathrm{Cu^{2+}} tende a reduzir para metal.

Passo 3

Escrever as meia-reações (metodinho que sempre funciona):
  • Meia-reação de oxidação (metal que perde elétrons): para o níquel
\mathrm{Ni(s)} \longrightarrow \mathrm{Ni^{2+}(aq)} + 2\,\mathrm{e^-}.
Aqui significa que cada átomo de níquel metálico perde 2 elétrons e vira íon \mathrm{Ni^{2+}} em solução.
  • Meia-reação de redução (íon que ganha elétrons): para o cobre
\mathrm{Cu^{2+}(aq)} + 2\,\mathrm{e^-} \longrightarrow \mathrm{Cu(s)}.
Cada íon \mathrm{Cu^{2+}} recebe 2 elétrons e se reduz a cobre metálico.
Explicando em palavras: o níquel entrega elétrons; esses elétrons são aceitos pelos íons cobre que se transformam em cobre metálico que se deposita.

Passo 4

Combinar as meia-reações. Os 2\,\mathrm{e^-} cancelam, então a equação global (líquido/íon/metais) é:
\mathrm{Ni(s)} + \mathrm{Cu^{2+}(aq)} \longrightarrow \mathrm{Ni^{2+}(aq)} + \mathrm{Cu(s)}.
Se quisermos escrever com os sais sulfato (espécies presentes na solução), a equação molecular fica:
\mathrm{Ni(s)} + \mathrm{CuSO_4(aq)} \longrightarrow \mathrm{NiSO_4(aq)} + \mathrm{Cu(s)}.
Observações sobre balanceamento e cargas: os elétrons foram conservados (cancelaram entre as meia-reações) e as cargas também ficam balanceadas; os íons sulfato \mathrm{SO_4^{2-}} são spectator e permanecem em solução combinando-se com o catião que aparece ( \mathrm{Ni^{2+}}).

Passo 5

Explicação do que ocorre na lâmina (resposta a) com detalhe didático):
  • Na lâmina de níquel ocorreu oxidação do metal níquel: alguns átomos de \mathrm{Ni(s)} perderam elétrons e passaram para a solução como \mathrm{Ni^{2+}(aq)}.
  • Simultaneamente, íons \mathrm{Cu^{2+}(aq)} da solução ganharam esses elétrons e se reduziram a cobre metálico \mathrm{Cu(s)}, que se deposita sobre a superfície da lâmina. Esse depósito metálico é o que se observa como “recobrimento” (o enunciado chama de depósito escuro).
  • Nota sobre aparência: cobre depositado finamente pode ter aspecto escuro/acinzentado inicialmente (quando é depositado em partículas muito finas) e depois pode tomar aspecto mais metálico-avermelhado; além disso pode haver escurecimento por oxidação superficial do cobre depositado.

Passo 6

Explicação do que ocorre na solução (resposta b) com detalhe didático):
  • Como o níquel se oxida, íons \mathrm{Ni^{2+}} passam para a solução. Antes a solução tinha íons \mathrm{Cu^{2+}} (que dão a cor azul característica do \mathrm{CuSO_4}).
  • À medida que \mathrm{Cu^{2+}} é reduzido e removido da solução (transformando-se em cobre metálico), a concentração de \mathrm{Ni^{2+}} aumenta. As soluções aquosas de \mathrm{Ni^{2+}} (por exemplo \mathrm{NiSO_4}) têm cor esverdeada. Portanto a solução deixa de ser apenas azul (Cu ^{2+}) e passa a ficar esverdeada por causa da presença crescente de \mathrm{Ni^{2+}} (mistura de azul + verde tende a verde, na prática a presença de Ni ^{2+} domina a coloração).
  • Conclusão: a solução fica verde porque o \mathrm{Ni^{2+}} formado colore a solução (sulfato de níquel aquoso é verde), enquanto o \mathrm{Cu^{2+}} é consumido.

Passo 7

Comentário de justificativa termodinâmica (opcional, bom para a prova):
  • A reação é espontânea porque o níquel é mais reativo que o cobre. Em termos de potenciais padrão de redução: E^\circ(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) = +0,34\\ \mathrm{V}, \qquad E^\circ(\mathrm{Ni^{2+}/Ni}) \approx -0,25\\ \mathrm{V}.O potencial da célula padrão seria E^\circ_{\text{cel}} = E^\circ_{\text{red (catodo)}} - E^\circ_{\text{red (anodo)}} = +0,34 - (-0,25) = +0,59\\ \mathrm{V},que é positivo, indicando espontaneidade da reação de deslocamento descrita. (Não é obrigatório decorar números, mas isso explica por que o níquel oxida e o cobre se reduz.)

Passo 8

Resumo prático para a hora da prova (como responder curto e direto):
  • Escreva as meia-reações, some para obter a reação global e explique as cores: depósito = metal cobre; solução verde = formação de \mathrm{Ni^{2+}} (sulfato de níquel) misturado com o que sobra de \mathrm{Cu^{2+}}.

Resposta

a) A lâmina de níquel foi oxidada: \mathrm{Ni(s)} passou para \mathrm{Ni^{2+}(aq)} e os elétrons fornecidos reduziram \mathrm{Cu^{2+}(aq)} a \mathrm{Cu(s)}, formando o depósito metálico (cobre) sobre a lâmina.
b) A solução ficou verde porque os \mathrm{Ni^{2+}} formados permanecem em solução como \mathrm{NiSO_4(aq)}; a presença de \mathrm{Ni^{2+}} (misturada ao que resta de \mathrm{Cu^{2+}}) altera a cor azul original para verde.

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