e) IV e V.
95) A bateria comum de automóvel é constituída de anodos de chumbo e catodos de óxido de chumbo. Esses eletrodos são imersos em uma solução de ácido sulfúrico de título
. Na bateria em operação ocorre a seguinte reação:
a) Escreva as semi-reações de oxidação e redução que ocorrem em cada um dos eletrodos, sabendo que em ambos se forma
sólido.
b) Explique por que a determinação da densidade da solução de ácido sulfúrico permite estimar a carga da bateria.
95) A bateria comum de automóvel é constituída de anodos de chumbo e catodos de óxido de chumbo. Esses eletrodos são imersos em uma solução de ácido sulfúrico de título
a) Escreva as semi-reações de oxidação e redução que ocorrem em cada um dos eletrodos, sabendo que em ambos se forma
b) Explique por que a determinação da densidade da solução de ácido sulfúrico permite estimar a carga da bateria.
Passo 1
O que o enunciado dá e o que pede:
- Dá a reação global que ocorre numa bateria de chumbo (na forma apresentada no enunciado):
- Diz que ambos os eletrodos formam
sólido. - Pede duas coisas:
a) Escrever as semi-reações (oxidação e redução) que ocorrem em cada eletrodo.
b) Explicar por que medir a densidade da solução depermite estimar a carga da bateria.
Informações relevantes a listar (do enunciado):
- Eletrodos: ânodo de
metálico e cátodo de . - Eletrólito: solução de ácido sulfúrico (dado de título
apenas informa que o eletrólito é concentrado). - Produto sólido em ambos os eletrodos:
.
Passo 2
Conceito rápido (sem pressa): o que é semi-reação, oxidação e redução
- Oxidação é perda de elétrons; redução é ganho de elétrons.
- Cada semi-reação deve estar balanceada em número de átomos e em carga elétrica.
- Estratégia prática: identificar mudança de estados de oxidação do chumbo para saber qual é oxidado e qual é reduzido; depois balancear O com
, H com (em meio ácido) e finalmente as cargas com elétrons ( ).
Vou mostrar passo a passo como aplicar isso ao nosso caso.
Passo 3
Determinar qual átomo de chumbo é oxidado e qual é reduzido (contando estados de oxidação)
- Em
o chumbo tem estado de oxidação . - Em
: cada oxigênio é , total , logo o Pb é . - Em
o Pb é (pois o íon sulfato tem carga ).
Conclusão:é oxidação (ânodo) e é redução (cátodo).
Passo 4
Montar e balancear a semi-reação de oxidação (ânodo), com explicação didática
- Começo com a transformação essencial:
. Isso é a perda de dois elétrons pelo chumbo metálico. - No eletrólito aparece o ânion sulfato (o enunciado usa
); como o produto formado é sólido, combinamos o com um para formar . Ao fazer isso, aparecem íons se usarmos como reagente (é uma forma prática de escrever em meio ácido). - Balanceando massa e carga chegamos à semi-reação de oxidação:
- Verificação rápida: átomos (Pb, S, O, H) e carga estão balanceadas (carga total
em ambos os lados).
Passo 5
Montar e balancear a semi-reação de redução (cátodo), com explicação didática
- Começo com a redução do óxido:
contém Pb em e precisa virar (para depois formar ). A etapa intermediária (em meio ácido) costuma ser:
Aqui eu balanceei oxigênios adicionando
e hidrogênios com
; também balanceei a carga com
.
- Em seguida, faço o
reagir com para formar sólido. Agrupando isso numa única semi-reação conveniente obtemos:
- Verificação: todos os átomos e as cargas estão balanceadas (carga líquida
em ambos lados).
Passo 6
Somar as semi-reações (cancelar elétrons) e comparar com a reação global
- Somando a oxidação do passo 4 com a redução do passo 5, os
se cancelam. A soma dá:
- Observação química importante (ligação com a forma usual escrita do processo): como
, a soma acima é equivalente à forma clássica:
que é a maneira em que a reação é frequentemente exibida (aí aparece explicitamente o consumo de ácido sulfúrico). Isso mostra consistência entre semi-reações e a equação global.
Passo 7
Explicação detalhada (didática) do porquê a densidade do eletrólito indica a carga da bateria (parte b)
- O que muda na solução quando a bateria descarrega? Pela reação global, o ácido sulfúrico
é consumido e o sulfato fica preso como sólido nas placas; ao mesmo tempo é formada água. Logo: - a concentração de
na solução diminui; - a fração de água na solução aumenta.
- a concentração de
- Por que isso altera a densidade? A densidade (gravidade específica) do eletrólito depende da concentração de soluto (açúcar: quanto mais
dissolvido, maior a densidade). Quando você transforma dissolvido em sólido, a solução perde soluto e fica menos densa. Assim, bateria descarregada → eletrólito com menor densidade; bateria carregada → eletrólito com densidade maior. - Relação quantitativa (ligando carga elétrica com consumo de ácido): cada “evento estequiométrico” da equação global transfere
mol de elétrons por mol de reação global, e consome mol de . Portanto o número de mols de elétrons transferidos é igual ao número de mols de consumidos; em termos de carga elétrica:
onde
é a constante de Faraday (
). Como
(pela estequiometria acima), a carga entregue por descarga está diretamente proporcional à quantidade de
consumida. Medindo a concentração de ácido (via densidade) consegue-se, portanto, estimar a fração de carga descarregada/armazenada.
- Uso prático: na prática usa-se um densímetro (hidrómetro) que dá a gravidade específica; existe tabela que relaciona gravidade específica a porcentagem de carga (por exemplo, valores típicos de gravidade específica: cerca de
para totalmente carregada e para totalmente descarregada — valores aproximados dependem do fabricante). Assim, medir a densidade dá uma estimativa direta do estado de carga.
Passo 8
Resumo final rápido para você lembrar na prova
- Semi-reações: escreva a oxidação do Pb liberando
e a redução do ganhando , inclua (ou ) para formar e use e para balancear O e H. - Medir densidade = medir concentração de
; como descarga consome ácido formando sólido, a densidade cai proporcionalmente à carga retirada. Correlacione com tabelas/tabelas do fabricante para obter % de carga.
Resposta
(a) Oxidação (ânodo):
Redução (cátodo):
(b) Durante a descarga
é consumido (forma
sólido) e água é formada; portanto a concentração de ácido na solução diminui e a densidade (gravidade específica) cai. Medindo a densidade com um hidrómetro obtém‑se a concentração de
e, por estequiometria (mols de elétrons transferidos proporcionais aos mols de
consumidos), estima‑se a carga restante da bateria.