Calcule o potencial \boldsymbol{E}^{\circ} das seguintes células eletroquímicas: diga se a reação é produto favorecida ou reagente favorecida.
\mathrm{Mg}(\mathrm{s})+\mathrm{Ni}^{2+} \rightarrow \mathrm{Mg}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Ni}(\mathrm{s})
\mathrm{Ni}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cu}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{Ni}(\mathrm{s})+\mathrm{Cu}^{2+}
\mathrm{Cu}(\mathrm{s})+2 \mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq})
\mathrm{Li}(s)+\mathrm{Na}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Li}^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Na}(s)
\mathrm{Zn}(s)+\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Zn}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cu}(s)

Passo 1

O que o enunciado pede: calcular o potencial padrão E^{\circ} de cada célula eletroquímica dada e dizer se, sob condições padrão, a reação escrita é favorecida em produtos (espontânea como escrita) ou favorecida em reagentes (não espontânea como escrita).
As reações fornecidas são:
\mathrm{Mg}(s)+\mathrm{Ni}^{2+}(aq)\rightarrow \mathrm{Mg}^{2+}(aq)+\mathrm{Ni}(s)
\mathrm{Ni}^{2+}(aq)+\mathrm{Cu}(s)\rightarrow \mathrm{Ni}(s)+\mathrm{Cu}^{2+}(aq)
\mathrm{Cu}(s)+2\,\mathrm{Fe}^{3+}(aq)\rightarrow \mathrm{Cu}^{2+}(aq)+2\,\mathrm{Fe}^{2+}(aq)
\mathrm{Li}(s)+\mathrm{Na}^{+}(aq)\rightarrow \mathrm{Li}^{+}(aq)+\mathrm{Na}(s)
\mathrm{Zn}(s)+\mathrm{Cu}^{2+}(aq)\rightarrow \mathrm{Zn}^{2+}(aq)+\mathrm{Cu}(s)
Informação necessária (valores padrão de potenciais de redução) que vou usar a partir da tabela padrão de eletroquímica (valores E^{\circ}_{\text{red}}, em volts):
\mathrm{Li^{+}+e^{-}\rightarrow Li(s)}\quad E^{\circ}=-3{,}04\\ \mathrm{V}
\mathrm{Na^{+}+e^{-}\rightarrow Na(s)}\quad E^{\circ}=-2{,}71\\ \mathrm{V}
\mathrm{Mg^{2+}+2e^{-}\rightarrow Mg(s)}\quad E^{\circ}=-2{,}37\\ \mathrm{V}
\mathrm{Zn^{2+}+2e^{-}\rightarrow Zn(s)}\quad E^{\circ}=-0{,}76\\ \mathrm{V}
\mathrm{Ni^{2+}+2e^{-}\rightarrow Ni(s)}\quad E^{\circ}=-0{,}25\\ \mathrm{V}
\mathrm{Cu^{2+}+2e^{-}\rightarrow Cu(s)}\quad E^{\circ}=+0{,}34\\ \mathrm{V}
\mathrm{Fe^{3+}+e^{-}\rightarrow Fe^{2+}}\quad E^{\circ}=+0{,}77\\ \mathrm{V}

Passo 2

Método e conceitos usados (explicação didática e passo a passo do raciocínio):
  • Cada metade da reação é um par redox (reação de redução escrita como redução). O potencial padrão listado é sempre o potencial de redução E^{\circ}_{\text{red}} do par.
  • Em uma célula Galvânica, o eletrodo que tem maior E^{\circ}_{\text{red}} (mais positivo) tende a ser o que é reduzido (cátodo). O outro é oxidado (ânodo).
  • O potencial padrão da célula é dado por
E^{\circ}_{\text{cel}} = E^{\circ}_{\text{cátodo}} - E^{\circ}_{\text{ânodo}}.áâ
Aqui E^{\circ}_{\text{cátodo}}á e E^{\circ}_{\text{ânodo}}â são os potenciais de redução padrão dos pares que atuam como cátodo e ânodo, respectivamente.
  • Interpretação:
    • Se E^{\circ}_{\text{cel}}>0, a reação escrita é espontânea em condições padrão (favorecida em produtos).
    • Se E^{\circ}_{\text{cel}}<0, a reação escrita NÃO é espontânea em condições padrão (favorecida em reagentes); a reação inversa seria espontânea.
  • Observação importante: ao calcular E^{\circ}_{\text{cel}} não se multiplicam os potenciais por coeficientes estequiométricos — o potencial é uma propriedade intensiva. Só se compara os E^{\circ}_{\text{red}} e aplica a fórmula acima.

Passo 3

Cálculo para a reação \mathrm{Mg}(s)+\mathrm{Ni}^{2+}\rightarrow \mathrm{Mg}^{2+}(aq)+\mathrm{Ni}(s).
  • Metade de redução do níquel:
\mathrm{Ni^{2+}+2e^{-}\rightarrow Ni(s)}\quad E^{\circ}_{\text{red}}=-0{,}25\\ \mathrm{V}
  • Metade de redução do magnésio:
\mathrm{Mg^{2+}+2e^{-}\rightarrow Mg(s)}\quad E^{\circ}_{\text{red}}=-2{,}37\\ \mathrm{V}
  • Comparando, E^{\circ}_{\text{red}}(\mathrm{Ni^{2+}/Ni})=-0{,}25\\ \mathrm{V} é mais positivo que E^{\circ}_{\text{red}}(\mathrm{Mg^{2+}/Mg})=-2{,}37\\ \mathrm{V}, então o cátodo é o par \mathrm{Ni^{2+}/Ni} (Ni2+ reduz-se) e o ânodo é \mathrm{Mg^{2+}/Mg} (Mg oxida-se).
  • Calcula-se
E^{\circ}_{\text{cel}} = E^{\circ}_{\text{cátodo}} - E^{\circ}_{\text{ânodo}} = -0{,}25 - (-2{,}37) = 2{,}12\\ \mathrm{V}.áâ
  • Conclusão: E^{\circ}_{\text{cel}}=2{,}12\\ \mathrm{V}>0, reação favorecida em produtos (espontânea como escrita).

Passo 4

Cálculo para a reação \mathrm{Ni}^{2+}(aq)+\mathrm{Cu}(s)\rightarrow \mathrm{Ni}(s)+\mathrm{Cu}^{2+}(aq).
  • Potenciais:
\mathrm{Ni^{2+}+2e^{-}\rightarrow Ni(s)}\quad E^{\circ}_{\text{red}}=-0{,}25\\ \mathrm{V}
\mathrm{Cu^{2+}+2e^{-}\rightarrow Cu(s)}\quad E^{\circ}_{\text{red}}=+0{,}34\\ \mathrm{V}
  • O par com maior E^{\circ}_{\text{red}} é \mathrm{Cu^{2+}/Cu} (+0,34 V), portanto em uma célula espontânea o cobre tenderia a ser reduzido e o níquel oxidado. Na reação escrita, porém, é o cobre sólido que é oxidado e o íon níquel que é reduzido — isso já parece contra o sentido espontâneo esperado.
  • Calcula-se
E^{\circ}_{\text{cel}} = E^{\circ}_{\text{cátodo}} - E^{\circ}_{\text{ânodo}} = (-0{,}25) - (+0{,}34) = -0{,}59\\ \mathrm{V}.áâ
  • Conclusão: E^{\circ}_{\text{cel}}=-0{,}59\\ \mathrm{V}<0, reação NÃO é espontânea como escrita (favorecida em reagentes). A inversa (Cu2+ reduzindo Ni) seria espontânea.

Passo 5

Cálculo para a reação \mathrm{Cu}(s)+2\,\mathrm{Fe}^{3+}(aq)\rightarrow \mathrm{Cu}^{2+}(aq)+2\,\mathrm{Fe}^{2+}(aq).
  • Potenciais relevantes:
\mathrm{Cu^{2+}+2e^{-}\rightarrow Cu(s)}\quad E^{\circ}_{\text{red}}=+0{,}34\\ \mathrm{V}
\mathrm{Fe^{3+}+e^{-}\rightarrow Fe^{2+}}\quad E^{\circ}_{\text{red}}=+0{,}77\\ \mathrm{V}
  • O par \mathrm{Fe^{3+}/Fe^{2+}} tem E^{\circ}_{\text{red}}=+0{,}77\\ \mathrm{V} mais positivo, logo o cátodo é \mathrm{Fe^{3+}/Fe^{2+}} (redução de \mathrm{Fe^{3+}} a \mathrm{Fe^{2+}}) e o ânodo é \mathrm{Cu^{2+}/Cu} (o cobre metálico oxida-se a \mathrm{Cu^{2+}}).
  • Calcula-se
E^{\circ}_{\text{cel}} = 0{,}77 - 0{,}34 = 0{,}43\\ \mathrm{V}.
  • Conclusão: E^{\circ}_{\text{cel}}=0{,}43\\ \mathrm{V}>0, reação favorecida em produtos (espontânea como escrita).

Passo 6

Cálculo para a reação \mathrm{Li}(s)+\mathrm{Na}^{+}(aq)\rightarrow \mathrm{Li}^{+}(aq)+\mathrm{Na}(s).
  • Potenciais:
\mathrm{Li^{+}+e^{-}\rightarrow Li(s)}\quad E^{\circ}_{\text{red}}=-3{,}04\\ \mathrm{V}
\mathrm{Na^{+}+e^{-}\rightarrow Na(s)}\quad E^{\circ}_{\text{red}}=-2{,}71\\ \mathrm{V}
  • O mais positivo é E^{\circ}_{\text{red}}(\mathrm{Na^{+}/Na})=-2{,}71\\ \mathrm{V}, portanto o cátodo será \mathrm{Na^{+}/Na} e o ânodo \mathrm{Li^{+}/Li}. Na reação escrita, o lítio metálico é oxidado a \mathrm{Li^{+}} e o \mathrm{Na^{+}} reduzido a Na(s) — isso é coerente com a comparação dos potenciais.
  • Calcula-se
E^{\circ}_{\text{cel}} = (-2{,}71) - (-3{,}04) = 0{,}33\\ \mathrm{V}.
  • Conclusão: E^{\circ}_{\text{cel}}=0{,}33\\ \mathrm{V}>0, reação favorecida em produtos (espontânea como escrita).

Passo 7

Cálculo para a reação \mathrm{Zn}(s)+\mathrm{Cu}^{2+}(aq)\rightarrow \mathrm{Zn}^{2+}(aq)+\mathrm{Cu}(s).
  • Potenciais:
\mathrm{Zn^{2+}+2e^{-}\rightarrow Zn(s)}\quad E^{\circ}_{\text{red}}=-0{,}76\\ \mathrm{V}
\mathrm{Cu^{2+}+2e^{-}\rightarrow Cu(s)}\quad E^{\circ}_{\text{red}}=+0{,}34\\ \mathrm{V}
  • E^{\circ}_{\text{red}}(\mathrm{Cu^{2+}/Cu})=+0{,}34\\ \mathrm{V} é maior, então cátodo é \mathrm{Cu^{2+}/Cu} e ânodo \mathrm{Zn^{2+}/Zn}. A reação escrita tem zinco metálico oxidando-se e cobre íon sendo reduzido — é o comportamento esperado.
  • Calcula-se
E^{\circ}_{\text{cel}} = 0{,}34 - (-0{,}76) = 1{,}10\\ \mathrm{V}.
  • Conclusão: E^{\circ}_{\text{cel}}=1{,}10\\ \mathrm{V}>0, reação favorecida em produtos (espontânea como escrita).

Resposta

\mathrm{Mg}(s)+\mathrm{Ni}^{2+}\rightarrow \mathrm{Mg}^{2+}+\mathrm{Ni}(s):\\ E^{\circ}=2{,}12\\ \mathrm{V} — favorecida em produtos
\mathrm{Ni}^{2+}+\mathrm{Cu}(s)\rightarrow \mathrm{Ni}(s)+\mathrm{Cu}^{2+}:\\ E^{\circ}=-0{,}59\\ \mathrm{V} — favorecida em reagentes
\mathrm{Cu}(s)+2\mathrm{Fe}^{3+}\rightarrow \mathrm{Cu}^{2+}+2\mathrm{Fe}^{2+}:\\ E^{\circ}=0{,}43\\ \mathrm{V} — favorecida em produtos
\mathrm{Li}(s)+\mathrm{Na}^{+}\rightarrow \mathrm{Li}^{+}+\mathrm{Na}(s):\\ E^{\circ}=0{,}33\\ \mathrm{V} — favorecida em produtos
\mathrm{Zn}(s)+\mathrm{Cu}^{2+}\rightarrow \mathrm{Zn}^{2+}+\mathrm{Cu}(s):\\ E^{\circ}=1{,}10\\ \mathrm{V} — favorecida em produtos

Exercícios relacionados