Determine a reação redox balanceada para a oxidação de amônia para íons nitrato pelo \mathrm{O}_{2} em solução alcalina (básico). Esta reação deixa a água mais ou menos alcalina? [Sugestão: lembre do procedimento para balanceamento redox no Quadro 13.1.]

Passo 1

O enunciado pede duas coisas:
  • Determinar a equação da reação redox balanceada para a oxidação da amônia para íons nitrato pelo \mathrm{O_2} em solução básica (alcalina).
  • Dizer se essa reação deixa a água (a solução) mais ou menos alcalina.
Informações dadas e implicadas:
  • Reagentes iniciais: \mathrm{NH_3} e \mathrm{O_2} em meio básico (existe \mathrm{OH^-} disponível).
  • Produto desejado: íon \mathrm{NO_3^-}.
  • É uma reação redox: a amônia é oxidada, o oxigênio é reduzido.
  • Precisamos equilibrar átomos e cargas e dar a equação final aplicável a meio básico.

Passo 2

Escolha do método e motivo (explicação didática curta e amigável).
  • Método escolhido: método das semi-reações (half-reaction method) porque é o procedimento clássico e seguro para equilibrar reações redox, especialmente em meio ácido ou básico.
  • Estratégia prática: primeiro equilibrar as semi-reações em meio ácido (usando \mathrm{H_2O}, \mathrm{H^+} e elétrons \mathrm{e^-}), igualar elétrons e somar; depois converter a equação resultante para meio básico substituindo \mathrm{H^+} por \mathrm{H_2O} e \mathrm{OH^-} (adicione \mathrm{OH^-} a ambos os lados tantas vezes quanto \mathrm{H^+} apareça, simplifique).

Passo 3

Semi-reação de oxidação (amônia \to nitrato). Vou explicar cada passo devagar:
  • Escrevo a transformação química principal:
\mathrm{NH_3} \rightarrow \mathrm{NO_3^-}
  • Primeiro balanceio o nitrogênio: já tem 1 N dos dois lados, ok.
  • Em seguida balanceio o oxigênio adicionando moléculas de água ( \mathrm{H_2O}). À direita há 3 oxigênios em \mathrm{NO_3^-}, então adiciono 3 \mathrm{H_2O} no lado esquerdo para fornecer esses oxigênios:
\mathrm{NH_3} + 3\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{NO_3^-}
  • Agora balanceio o hidrogênio: à esquerda há 3 H (de \mathrm{NH_3}) mais 3\times2=6 H (das 3 \mathrm{H_2O}), total 9 H. À direita não há H, então adiciono 9 \mathrm{H^+} ao lado direito:
\mathrm{NH_3} + 3\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} + 9\mathrm{H^+}
  • Por fim balanceio cargas com elétrons: carga do lado esquerdo é 0. Do lado direito: \mathrm{NO_3^-} é -1 e 9\mathrm{H^+} é +9, total +8. Para igualar, adiciono 8 elétrons ( 8\mathrm{e^-}) ao lado direito (cada elétron tem carga -1):
\mathrm{NH_3} + 3\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} + 9\mathrm{H^+} + 8\mathrm{e^-}
  • Interpretação: elétrons no produto significam que a espécie foi oxidada (a amônia perdeu elétrons).

Passo 4

Semi-reação de redução (oxigênio \to água, inicialmente em meio ácido):
  • Escrevo a transformação provável em meio ácido:
\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{H_2O}
  • Balanceio o oxigênio: \mathrm{O_2} tem 2 O, então coloco 2 moléculas de \mathrm{H_2O} à direita:
\mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{H_2O}
  • Agora balanceio hidrogênios adicionando \mathrm{H^+}: há 2\times2 = 4 H à direita, então adiciono 4\mathrm{H^+} à esquerda:
\mathrm{O_2} + 4\mathrm{H^+} \rightarrow 2\mathrm{H_2O}
  • Balanceio de cargas com elétrons: carga à esquerda sem elétrons é +4 (pelos 4\mathrm{H^+}), à direita 0. Para equilibrar, adiciono 4 elétrons ao lado esquerdo (redução consome elétrons):
\mathrm{O_2} + 4\mathrm{H^+} + 4\mathrm{e^-} \rightarrow 2\mathrm{H_2O}

Passo 5

Igualar o número de elétrons e somar as semi-reações:
  • A semi-reação de oxidação tem 8\mathrm{e^-} produzidos; a de redução consome 4\mathrm{e^-}. Multiplico a semi-reação de redução por 2 para que ambas envolvam 8\mathrm{e^-}:
2\mathrm{O_2} + 8\mathrm{H^+} + 8\mathrm{e^-} \rightarrow 4\mathrm{H_2O}
  • Agora somo as duas semi-reações (elétrons se cancelam). Reescrevendo as duas antes da soma:
\mathrm{NH_3} + 3\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} + 9\mathrm{H^+} + 8\mathrm{e^-}
2\mathrm{O_2} + 8\mathrm{H^+} + 8\mathrm{e^-} \rightarrow 4\mathrm{H_2O}
  • Somando e cancelando 8\mathrm{e^-}:
    Realiza-se a soma dos termos e cancela-se o que aparecer dos dois lados (elétrons). Depois cancela-se 8\mathrm{H^+} com parte dos 9\mathrm{H^+} do outro lado, ficando 1\mathrm{H^+} no lado direito; também cancela-se água onde possível. O resultado simplificado em meio ácido fica:
\mathrm{NH_3} + 2\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} + \mathrm{H^+} + \mathrm{H_2O}
  • Verificações rápidas (confirmação didática):
    • Nitrogênio: 1 de cada lado.
    • Oxigênio: esquerda 2\times2=4; direita \mathrm{NO_3^-} tem 3 e \mathrm{H_2O} tem 1 → total 4.
    • Hidrogênio: esquerda 3 (da \mathrm{NH_3}); direita 1 (do \mathrm{H^+}) + 2 (da \mathrm{H_2O}) = 3.
    • Carga: esquerda 0; direita \mathrm{NO_3^-}(-1)+\mathrm{H^+}(+1)=0. Tudo batendo — mas ainda estamos em forma “ácida” porque apareceu \mathrm{H^+}.

Passo 6

Converter a equação para meio básico (transformação padrão: eliminar \mathrm{H^+} usando \mathrm{OH^-}):
  • A equação em meio ácido obtida foi:
\mathrm{NH_3} + 2\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} + \mathrm{H^+} + \mathrm{H_2O}
  • Em meio básico não devemos ter \mathrm{H^+}. Para eliminar cada \mathrm{H^+} adicionamos uma \mathrm{OH^-} em ambos os lados (uma vez para cada \mathrm{H^+} presente). Aqui há 1 \mathrm{H^+}, então adiciono 1 \mathrm{OH^-} em ambos os lados:
\mathrm{NH_3} + 2\mathrm{O_2} + \mathrm{OH^-} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} + \mathrm{H^+} + \mathrm{H_2O} + \mathrm{OH^-}
  • No lado direito, \mathrm{H^+} + \mathrm{OH^-} \rightarrow \mathrm{H_2O}. Substituo isso por uma molécula de água:
\mathrm{NH_3} + 2\mathrm{O_2} + \mathrm{OH^-} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} + \mathrm{H_2O} + \mathrm{H_2O}
  • Simplifico as águas no lado direito (duas moléculas):
\mathrm{NH_3} + 2\mathrm{O_2} + \mathrm{OH^-} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} + 2\mathrm{H_2O}

Passo 7

Verificação final (contagem de átomos e cargas) — sempre faça isso na prova para garantir que está correto:
  • Nitrogênio: esquerda 1 (em \mathrm{NH_3}), direita 1 (em \mathrm{NO_3^-}).
  • Oxigênio: esquerda 2\times2=4 (de \mathrm{O_2}) + 1 (de \mathrm{OH^-}) = 5. Direita 3 (em \mathrm{NO_3^-}) + 2\times1=2 (em 2\mathrm{H_2O}) = 5.
  • Hidrogênio: esquerda 3 (em \mathrm{NH_3}) + 1 (em \mathrm{OH^-}) = 4. Direita 2\times2=4 (em 2\mathrm{H_2O}).
  • Carga: esquerda 0 + 0 + (-1) = -1 (apenas \mathrm{OH^-} é -1); direita \mathrm{NO_3^-} = -1, águas neutras → total -1. Cargas iguais.
  • Tudo balanceado. Ótimo!

Passo 8

Interpretação qualitativa: o que isso diz sobre a alcalinidade da solução?
  • A equação balanceada em meio básico consome uma \mathrm{OH^-} por cada \mathrm{NH_3} oxidada:
\mathrm{NH_3} + 2\mathrm{O_2} + \mathrm{OH^-} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} + 2\mathrm{H_2O}
  • Consumir \mathrm{OH^-} significa diminuir a concentração de íons hidróxido na solução, portanto a solução fica menos alcalina (o pH tende a diminuir relativamente).
  • Observação extra: \mathrm{NH_3} é uma base fraca; ao ser convertida em \mathrm{NO_3^-} (um ânion derivado de ácido forte), perde a característica básica e ainda é consumido \mathrm{OH^-}. Assim, o efeito líquido é tornar a solução menos alcalina.

Resposta

\mathrm{NH_3} + 2\mathrm{O_2} + \mathrm{OH^-} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} + 2\mathrm{H_2O}
Deixa a solução menos alcalina (consome \mathrm{OH^-}, portanto reduz a alcalinidade).

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