Considere uma pilha voltaica com ponte salina representada pela seguinte reação:
\mathrm{Ca}(\mathrm{s})+2 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Ca}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_{2}(\mathrm{~g})
b) Que eletrodo pode ser utilizado no cátodo?

Passo 1

O enunciado dá a reação global da pilha:
\mathrm{Ca}(\mathrm{s})+2\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})\rightarrow \mathrm{Ca}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_{2}(\mathrm{g})
A pergunta (item b) é: que eletrodo pode ser utilizado no cátodo?

Passo 2

Vamos entender o que o cátodo precisa fazer. Primeiro identifiquemos qual espécie é reduzida (recebe elétrons) observando as variações de estados de oxidação:
  • Cálcio metálico: \mathrm{Ca}(\mathrm{s}) tem estado de oxidação 0 e vai para \mathrm{Ca}^{2+} (estado +2). Ou seja, perda de elétrons → oxidação.
  • Íon hidrogênio: \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) tem estado +1 e vai para \mathrm{H}_{2}(\mathrm{g}) (estado 0). Ou seja, ganho de elétrons → redução.
Portanto a redução ocorre sobre o par \mathrm{H}^{+}/\mathrm{H}_{2}; a redução acontece no cátodo.

Passo 3

Escrevemos as semi-reações para ficar cristalino qual reação ocorre no cátodo e qual no ânodo.
Semi-reações:
reação de oxidação (ânodo):
\mathrm{Ca}(\mathrm{s})\rightarrow \mathrm{Ca}^{2+}(\mathrm{aq})+2e^{-}
reação de redução (cátodo):
2\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+2e^{-}\rightarrow \mathrm{H}_{2}(\mathrm{g})
Note que a equação de redução mostra exatamente o que o cátodo deve favorecer: aceitar elétrons e permitir que \mathrm{H}^{+} se recombine em \mathrm{H}_{2}.

Passo 4

Agora: que tipo de eletrodo é adequado para essa meia-reação de redução? Requisitos práticos do cátodo:
  • Conduzir elétrons (ser bom condutor).
  • Não reagir quimicamente com as espécies presentes (ou seja, ser inerte perante \mathrm{H}^{+} e \mathrm{H}_{2}).
  • Preferencialmente catalisar a evolução de \mathrm{H}_{2} (facilitar a recombinação de prótons em gás hidrogênio), para que a reação ocorra com menor sobrepotencial.
Eletrodos que cumprem isso: metais inertes e catalíticos como platina, ou materiais condutores inertes como grafite (carvão). Entre eles, a platina é clássica porque é um excelente catalisador da reação 2\mathrm{H}^{+}+2e^{-}\rightarrow \mathrm{H}_{2} e é quimicamente inerte ao meio ácido.

Passo 5

Exemplos concretos que você pode citar na prova (explique assim para o professor):
  • Eletrodo de platina (Pt): é a escolha padrão — não é consumido, conduz bem e catalisa a evolução de \mathrm{H}_{2}. Pode ser usado como eletrodo de trabalho diretamente imerso na solução ácida ou como eletrodo de hidrogênio padrão (eletrodo de hidrogênio padrão = Pt(s) em contato com \mathrm{H}_{2}(\mathrm{g}) a 1 bar e solução com \mathrm{H}^{+}).
  • Eletrodo de grafite (carbono): também pode ser usado como eletrodo inerte; funciona, mas é menos eficiente cataliticamente do que Pt — pode exigir maior sobrepotencial para a evolução de \mathrm{H}_{2}.
Dica prática para a prova: se o enunciado pedir “um eletrodo”, responda “eletrodo de platina (Pt)” e, se quiser mostrar que sabe da alternativa, acrescente “ou grafite como opção menos ideal”.

Passo 6

Resumo conceitual rápido para decorar: o cátodo é onde ocorre redução; a meia-reaçãodo cátodo aqui é
2\mathrm{H}^{+}+2e^{-}\rightarrow \mathrm{H}_{2}
Logo usa-se um eletrodo inerte que catalise essa transformação — tipicamente \mathrm{Pt} (ou grafite).

Resposta

Eletrodo de platina (Pt), por exemplo o eletrodo de hidrogênio padrão (Pt com \mathrm{H}_{2}); alternativa menos eficiente: eletrodo de grafite.

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