Durante a descarga de uma bateria de chumbo, usada em automóveis, ocorre a seguinte reação global:
\mathrm{Pb}_{(\mathrm{s})}+\mathrm{PbO}_{2(\mathrm{~s})}+2 \mathrm{H}^{+}+\mathrm{HSO}_{4}^{-} \longrightarrow 2 \mathrm{PbSO}_{4(\mathrm{~s})}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} Analise as seguintes alternativas:
I. O chumbo metálico funciona como o agente redutor.
II. O óxido de chumbo (IV) funciona como catodo da bateria e o chumbo, como o anodo.
III. Os íons \mathrm{H}^{+}são reduzidos.
IV. Um dos produtos da reação é o sulfato de chumbo IV.
V. O estado de oxidação do enxofre no íon \mathrm{HSO}_{4}{ }^{-}é +6.

Passo 1

O enunciado nos dá a reação global durante a descarga da bateria de chumbo:
\mathrm{Pb}_{(\mathrm{s})}+\mathrm{PbO}_{2(\mathrm{s})}+2\mathrm{H}^{+}+\mathrm{HSO}_{4}^{-}\longrightarrow 2\mathrm{PbSO}_{4(\mathrm{s})}+2\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}
e pede para analisar as alternativas I a V:
I. O chumbo metálico funciona como o agente redutor.
II. O óxido de chumbo (IV) funciona como cátodo da bateria e o chumbo, como ânodo.
III. Os íons \mathrm{H}^{+} são reduzidos.
IV. Um dos produtos da reação é o sulfato de chumbo IV.
V. O estado de oxidação do enxofre no íon \mathrm{HSO}_{4}^{-} é +6.

Passo 2

Vamos lembrar as regras básicas de número de oxidação (explicação didática curta e direta):
  • Para um íon monoatômico, o número de oxidação é igual à carga do íon. Ex.: \mathrm{H}^{+} tem oxidação +1.
  • Oxigênio em compostos (exceto peróxidos) tem praticamente sempre oxidação -2.
  • A soma dos números de oxidação dos átomos em uma espécie neutra é 0; em íons é a carga do íon.
  • Oxidação é perda de elétrons (aumenta o número de oxidação); redução é ganho de elétrons (diminui o número de oxidação).
    Vou usar essas regras para calcular os estados de oxidação das espécies relevantes.

Passo 3

Calcular estados de oxidação dos átomos importantes:
  • Para o chumbo metálico \mathrm{Pb}_{(\mathrm{s})}: por definição em elemento livre, número de oxidação é 0. Logo \mathrm{Pb}:0.
  • Para \mathrm{PbO}_{2}: seja x o número de oxidação de Pb. Sabemos que cada oxigênio é -2, há dois oxigênios, a molécula é neutra, então
x + 2\cdot(-2) = 0 \quad\Rightarrow\quad x -4 = 0 \quad\Rightarrow\quad x=+4.
Portanto Pb em \mathrm{PbO}_{2} está em +4.
  • Para \mathrm{PbSO}_{4} (produto): o ânion sulfato \mathrm{SO}_{4}^{2-} tem carga -2. No sulfato o oxigênio é -2 cada um, total -8 para quatro oxigênios; seja y o número de oxidação do S em \mathrm{SO}_{4},
y + 4\cdot(-2) = -2 \quad\Rightarrow\quad y -8 = -2 \quad\Rightarrow\quad y = +6.
Assim o grupo \mathrm{SO}_{4}^{2-} tem S em +6. Como \mathrm{PbSO}_{4} é neutro, o Pb deve ter carga +2 para compensar o -2 do sulfato. Logo Pb em \mathrm{PbSO}_{4} é +2.
  • Para \mathrm{HSO}_{4}^{-}: seja s o número de oxidação do enxofre. Temos um H em +1 e quatro O em -2 cada:
(+1) + s + 4\cdot(-2) = -1 \quad\Rightarrow\quad 1 + s -8 = -1 \quad\Rightarrow\quad s -7 = -1 \quad\Rightarrow\quad s = +6.
Logo o enxofre em \mathrm{HSO}_{4}^{-} é +6.

Passo 4

Com os números de oxidação, inspeção das mudanças de oxidação entre reagentes e produtos:
  • Chumbo metálico: \mathrm{Pb}:0 nos reagentes -> passa para \mathrm{Pb}^{2+} (dentro de \mathrm{PbSO}_{4}) nos produtos. Mudança: 0 \to +2. Isso é aumento do número de oxidação → oxidação (perde elétrons). A meia-reação simplificada de oxidação é
\mathrm{Pb} \longrightarrow \mathrm{Pb}^{2+} + 2e^{-}.
Em presença de ânions sulfato isso corresponde efetivamente a
\mathrm{Pb} + \mathrm{SO}_{4}^{2-} \longrightarrow \mathrm{PbSO}_{4} + 2e^{-}.
  • Chumbo no \mathrm{PbO}_{2}: Pb em +4 nos reagentes -> Pb em +2 no \mathrm{PbSO}_{4} dos produtos. Mudança: +4 \to +2. Isso é diminuição do número de oxidação → redução (ganha elétrons). A meia-reação de redução pode ser escrita (balanceando H+ e água conforme o meio ácido):
\mathrm{PbO}_{2} + 4\mathrm{H}^{+} + 2e^{-} \longrightarrow \mathrm{Pb}^{2+} + 2\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}.
Em presença de \mathrm{SO}_{4}^{2-} forma-se \mathrm{PbSO}_{4}.

Passo 5

Identificando agentes redutor e oxidante:
  • Agente redutor é a espécie que é oxidada (perde elétrons). Aqui \mathrm{Pb}_{(\mathrm{s})} vai de 0 para +2 (perde 2 elétrons). Portanto \mathrm{Pb}_{(\mathrm{s})} é o agente redutor. Isso confirma a alternativa I como verdadeira.

Passo 6

Identificando ânodo e cátodo (explicação de bateria, passo a passo):
  • Em células eletroquímicas durante descarga (circuito externo conectado) a oxidação ocorre no ânodo e a redução no cátodo. Vimos que \mathrm{Pb}_{(\mathrm{s})} é oxidado → ele é o ânodo. Vimos que \mathrm{PbO}_{2} é reduzido → ele é o cátodo. Portanto a alternativa II está correta.

Passo 7

Avaliar se \mathrm{H}^{+} é reduzido:
  • Compare estado de oxidação do hidrogênio: em \mathrm{H}^{+} é +1. No produto \mathrm{H}_{2}\mathrm{O} o hidrogênio também tem oxidação +1. Como o número de oxidação do H não muda, o íon \mathrm{H}^{+} em si não é reduzido (não sofreu ganho de elétrons em termos de mudança de oxidação). Nas meia-reações, os elétrons vão para reduzir Pb em \mathrm{PbO}_{2}; \mathrm{H}^{+} apenas participa formando água, sem alteração do seu estado de oxidação. Logo a alternativa III é falsa.

Passo 8

Sobre “sulfato de chumbo IV” como produto:
  • O produto escrito é \mathrm{PbSO}_{4}. Como vimos, Pb em \mathrm{PbSO}_{4} tem oxidação +2, não +4. Portanto não aparece sulfato de chumbo(IV) ( \mathrm{Pb}^{4+}) entre os produtos. A alternativa IV é falsa.

Passo 9

Confirmar o estado de oxidação do enxofre em \mathrm{HSO}_{4}^{-}:
  • Como calculado no Passo 3, pelo balanço de cargas em \mathrm{HSO}_{4}^{-} obtemos S=+6. Portanto a alternativa V é verdadeira.

Passo 10

Recapitulando as conclusões (para você memorizar):
  • I: verdadeira (Pb metálico é oxidado → agente redutor).
  • II: verdadeira (PbO2 é reduzido → cátodo; Pb metálico é oxidado → ânodo).
  • III: falsa (o número de oxidação do H permanece +1; H+ não é reduzido).
  • IV: falsa (o Pb em \mathrm{PbSO}_{4} é +2, não +4).
  • V: verdadeira ( S=+6 em \mathrm{HSO}_{4}^{-}).

Resposta

I: Verdadeira
II: Verdadeira
III: Falsa
IV: Falsa
V: Verdadeira

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