35 (Unimontes-MG) As pilhas alcalinas são constituídas de eletrodos de zinco e de manganês, sendo o eletrólito o hidróxido de potássio, daí a denominação alcalina. A reação global que ocorre na pilha pode ser representada pela equação:
\mathrm{Zn}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{MnO}_{2}(\mathrm{~s})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{Mn}_{2} \mathrm{O}_{3}(\mathrm{~s})+\mathrm{Zn}(\mathrm{OH})_{2}(\mathrm{aq})
De acordo com essa equação, responda:
a) Qual é o anodo? Justifique sua resposta usando o estado de oxidação dos respectivos constituintes.
b) Indicando a substância constituinte de cada eletrodo, qual é o sentido do fluxo de elétrons na pilha em funcionamento?

Passo 1

O enunciado dá a reação global da pilha alcalina:
\mathrm{Zn(s)} + 2\,\mathrm{MnO_2(s)} + \mathrm{H_2O(l)} \rightarrow \mathrm{Mn_2O_3(s)} + \mathrm{Zn(OH)_2(aq)}
As perguntas são:
a) Qual é o ânodo? Justificar usando os estados de oxidação.
b) Indicando a substância constitutiva de cada eletrodo, qual é o sentido do fluxo de elétrons na pilha em funcionamento?
Informações relevantes que temos (retiradas do enunciado):
  • Espécies envolvidas: \mathrm{Zn(s)}, \mathrm{MnO_2(s)}, \mathrm{H_2O(l)}, \mathrm{Mn_2O_3(s)}, \mathrm{Zn(OH)_2(aq)}.
  • É uma pilha alcalina (eletrólito básico, contém \mathrm{OH^-} em solução).

Passo 2

Conceito necessário (explicado passo a passo): como usar números de oxidação para identificar ânodo e cátodo.
  • Definição prática de número de oxidação: é um número que representa a carga “formal” que um átomo teria em uma ligação, seguindo regras simples.
  • Regras úteis que vamos usar:
    1. Um átomo em sua forma elemental tem estado de oxidação 0. Ex.: \mathrm{Zn(s)} tem 0.
    2. Oxigênio em compostos (salvo peróxidos e exceções) tem -2.
    3. Hidrogênio em compostos com não-metais tem +1.
    4. A soma dos estados de oxidação das espécies num composto neutro deve ser 0; para íons, deve dar a carga do íon.
  • Como identificar ânodo/cátodo:
    • A oxidação é a perda de elétrons (aumenta o número de oxidação). Ocorre no ânodo.
    • A redução é o ganho de elétrons (diminui o número de oxidação). Ocorre no cátodo.
  • Estratégia: calcular os números de oxidação dos átomos-chaves (Zn e Mn) nos reagentes e produtos; ver quem aumenta e quem diminui.

Passo 3

Calcular números de oxidação das espécies relevantes.
  1. Zinco:
  • Em estado elementar: \mathrm{Zn(s)} tem número de oxidação 0.
  • Em \mathrm{Zn(OH)_2}: cada \mathrm{OH} tem carga total -1. No composto neutro \mathrm{Zn(OH)_2}, a soma das três unidades é 0. Oxigênio em \mathrm{OH} é -2, hidrogênio é +1. Logo o ião central \mathrm{Zn} deve ser +2 para que +2 + 2\cdot(-1) = 0. Portanto:
\mathrm{Zn}: \; 0 \longrightarrow +2
Isto é, o zinco aumentou seu número de oxidação (perdeu elétrons) — sinal de oxidação.
  1. Manganês:
  • Em \mathrm{MnO_2}: cada oxigênio é -2, há 2 oxigênios, soma -4; o composto é neutro, então o Mn tem +4.
  • Em \mathrm{Mn_2O_3}: há 3 oxigênios com -2 cada, soma -6; o composto é neutro, então a soma dos dois Mn deve ser +6, ou seja cada Mn é +3.
\mathrm{Mn}: \; +4 \longrightarrow +3
Isto é, o manganês diminuiu seu número de oxidação (ganhou elétrons) — sinal de redução.

Passo 4

Interpretação dos resultados (ligando teoria à pilha).
  • Observamos que \mathrm{Zn} passa de 0 para +2: perdeu elétrons → sofreu oxidação → ocorre no ânodo.
  • Observamos que \mathrm{Mn} passa de +4 para +3: ganhou elétrons → sofreu redução → ocorre no cátodo.
  • Portanto, o ânodo é o eletrodo de zinco ( \mathrm{Zn}) e o cátodo é o eletrodo contendo \mathrm{MnO_2} (manganês(IV) em dióxido de manganês).

Passo 5

Escrever as semirreações (meio básico) para ver os elétrons e confirmar o sentido da corrente.
Oxidação (ânodo, zinco):
\mathrm{Zn(s)} + 2\,\mathrm{OH^-} \rightarrow \mathrm{Zn(OH)_2(aq)} + 2\,e^-
  • Aqui \mathrm{Zn} vai para \mathrm{Zn^{2+}} combinando com \mathrm{OH^-} para formar \mathrm{Zn(OH)_2}; aparecem 2 elétrons livres (perda de elétrons).
Redução (cátodo, manganês):
2\,\mathrm{MnO_2(s)} + \mathrm{H_2O(l)} + 2\,e^- \rightarrow \mathrm{Mn_2O_3(s)} + 2\,\mathrm{OH^-}
  • Verificação rápida de balanceamento: número de Mn, O e H conferem; cargas também conferem (ambos lados com carga -2 quando se conta os elétrons). Aqui cada Mn reduz de +4 para +3 recebendo, no total, 2 elétrons.
Somando as duas semirreações os elétrons se cancelam e obtemos exatamente a reação global dada:
\mathrm{Zn(s)} + 2\,\mathrm{MnO_2(s)} + \mathrm{H_2O(l)} \rightarrow \mathrm{Mn_2O_3(s)} + \mathrm{Zn(OH)_2(aq)}

Passo 6

Concluir sobre o sentido do fluxo de elétrons e qual substância está em cada eletrodo.
  • Como a oxidação ocorre no ânodo (zinco), os elétrons liberados pelo zinco saem do eletrodo de zinco e percorrem o circuito externo em direção ao eletrodo onde ocorre a redução (o eletrodo de \mathrm{MnO_2}).
  • Portanto os elétrons fluem do eletrodo de \mathrm{Zn} para o eletrodo de \mathrm{MnO_2} (do ânodo para o cátodo).
  • Resumindo a constituição dos eletrodos: ânodo = eletrodo de zinco ( \mathrm{Zn}); cátodo = eletrodo com dióxido de manganês ( \mathrm{MnO_2}).

Resposta

a) O ânodo é o eletrodo de zinco ( \mathrm{Zn}), pois o zinco muda de estado de oxidação 0 para +2 (há oxidação).
b) Eletrodo negativo (ânodo): \mathrm{Zn(s)}. Eletrodo positivo (cátodo): \mathrm{MnO_2(s)}. O fluxo de elétrons é do eletrodo de \mathrm{Zn} para o eletrodo de \mathrm{MnO_2} (do ânodo para o cátodo).

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