Considere uma pilha montada com dois pedaços metálico de zinco, imersos, respectivamente, em uma solução de sulfato de zinco
e sulfato de zinco
, ligados por uma ponte salina de nitrato de sódio. Faça um desenho esquemático da célula. Quais as semi-reações, o potencial padrão e o potencial real dessa célula galvânica de concentração?
Passo 1
O enunciado pede três coisas principais e fornece dados claros. Vou listar aqui, sem resolver ainda, para ficar tudo organizado:
-
O que é pedido:
- Fazer um desenho esquemático da célula galvânica.
- Escrever as semi-reações nos eletrodos (qual é anódica e qual é catódica).
- Informar o potencial padrão da célula.
- Calcular o potencial real (tensão) da célula nas condições dadas.
-
Dados fornecidos (peguei estes números do enunciado):
- Dois eletrodos de zinco metálico: ambos Zn(s).
- Soluções de sulfato de zinco com concentrações
e . - Ponte salina de
. - Temperatura não foi explicitada; vou assumir temperatura ambiente
(25 °C), que é o usual nesses problemas.
-
Observação sobre as perguntas:
- A célula é uma célula de concentração porque os dois eletrodos são o mesmo par redox (
) mas em concentrações diferentes. - A resposta final precisa indicar qual lado é o ânodo (oxidação) e qual é o cátodo (redução) e o valor numérico do potencial real da célula.
- A célula é uma célula de concentração porque os dois eletrodos são o mesmo par redox (
Passo 2
Desenho esquemático (figura em ASCII, mostrando os dois meios, eletrodos e ponte salina). Neste desenho usei as concentrações que vieram no enunciado.
Anodo (solução diluída,
) | Ponte salina (NaNO3) | Catodo (solução concentrada,
)
\n
\n
\n
Explicando o desenho (texto): o eletrodo da esquerda é uma lâmina de mergulhada na solução de
com
. O eletrodo da direita é outra lâmina de
mergulhada na solução com
. As duas meias-células estão conectadas por uma ponte salina de
e por um fio externo onde circulam elétrons.
Explicando o desenho (texto): o eletrodo da esquerda é uma lâmina de
Passo 3
Qual é a semi-reação relevante e como decidir qual lado oxida e qual reduz? Vou explicar a lei que usamos (Nernst) de forma didática.
- A meia-reação padrão (redução) para o par zinco é:
Aqui:
-
é a espécie em solução; -
são elétrons; -
é o metal sólido com atividade unitária. -
Potencial de redução dessa meia-reação, em condições gerais, é dado pela equação de Nernst (forma útil aqui):
onde:
-
é o potencial da meia-reação (em volts) na concentração dada; -
é o potencial padrão da meia-reação; -
é a constante dos gases, ; -
é a temperatura absoluta (em kelvin); -
é o número de elétrons trocados na meia-reação (aqui ); -
é a constante de Faraday, ; -
é o logaritmo natural; -
é a atividade aproximada pela concentração molar (quando soluções são diluídas). -
Interpretação prática dessa fórmula: quanto maior a concentração de
, mais positivo (menos negativo) fica para a redução . Assim, entre as duas meias-células, a que tem maior é mais favorável à redução; a que tem menor é menos favorável à redução (favorece oxidação).
Passo 4
Determinar qual eletrodo é ânodo e qual é cátodo e escrever as semi-reações com direção espontânea.
-
Comparando concentrações:
é maior do que . Logo a meia-reação de redução ocorrerá no lado concentrado (direita) e a oxidação ocorrerá no lado diluído (esquerda). -
Assim as semi-reações espontâneas são:
- Ânodo (oxidação, lado diluído):
- Cátodo (redução, lado concentrado):
- Ânodo (oxidação, lado diluído):
-
Observação: escrevo a concentração entre parênteses para deixar claro que estou usando os valores do enunciado.
Passo 5
Qual é o potencial padrão da célula? (explicação e resposta)
- Para um par idêntico em ambas as meias-células, o potencial padrão da célula é
porque os dois eletrodos são o mesmo par redox (
) portanto
.
- O potencial padrão da meia-reação
vale (valor tabulado):
(Aqui usei o valor usual da tabela de potenciais; alguns livros usam
.)
Passo 6
Calcular o potencial real da célula usando a equação de Nernst para a célula de concentração.
- Para uma célula de concentração formada por duas meias-células idênticas, a diferença de potencial é simplesmente a diferença entre os potenciais das duas meias-células:
Os
se cancelam, restando
-
Substituindo números:
-
-
Calcule o fator
:
- Calcule o logaritmo:
- Multiplicando:
- Arredondando com três algarismos significativos:
Passo 7
Interpretação física e resumo (breve, pra fixar)
- O potencial positivo
indica que o processo tal como escrito (oxidação no lado diluído e redução no lado concentrado) é espontâneo. - Fisicamente, o que ocorre é depósito de zinco no eletrodo do lado concentrado (redução) e dissolução de zinco no lado diluído (oxidação): assim os íons
tendem a se deslocar do lado concentrado para o lado diluído, diminuindo a diferença de concentração. A ponte salina mantém neutralidade elétrica.
Resposta
Semi-reações:
(ânodo, oxidação)
(cátodo, redução)
Potencial padrão da célula:
Potencial real (na
):