A eletrólise de uma solução aquosa de
contendo fenolftaleína foi realizada e coletaram-se os dados apresentados na Tabela ao lado. Considere que o experimento foi realizado a uma temperatura de
e que foram coletados 5 mL de
.
Responda:
Tabela: Dados coletados em experimento de eletrólise de uma solução aquosa de
.
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80
87
90
246
100
340
110
378
120
440
120
a) Escreva as semi-reações de oxidação e redução e a reação global que ocorrem no processo.
b) Explique por que a solução fica mais rosa no cátodo e incolor no ânodo;
c) Utilizando os dados fornecidos, calcule a constate de Avogadro.
Responda:
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| 87 | 90 |
| 246 | 100 |
| 340 | 110 |
| 378 | 120 |
| 440 | 120 |
b) Explique por que a solução fica mais rosa no cátodo e incolor no ânodo;
c) Utilizando os dados fornecidos, calcule a constate de Avogadro.
Passo 1
Enunciado resumido e dados importantes (o que o problema pede e o que já foi dado):
-
Perguntas:
a) Escrever as semi‑reações de oxidação e redução e a reação global da eletrólise.
b) Explicar por que a solução fica mais rosa no cátodo e incolor no ânodo (foi usada fenolftaleína).
c) Usando os dados, calcular a constante de Avogadro. -
Dados fornecidos na tabela (corrente em mA em instantes de tempo em s):
-
Temperatura:
(ou ). -
Volume de
coletado: . -
Informação ausente: pressão do gás coletado não foi dada; vou assumir pressão ambiente
(hipótese razoável para um experimento padrão). -
Observação: vamos usar a equação dos gases ideais e a relação entre carga elétrica, mols de elétrons e o número de Avogadro. A resolução começa agora.
Passo 2
Quais reações podem ocorrer na eletrólise de solução aquosa de
? (ideia física)
- Em eletrólise aquosa, os ânions e cátions do eletrólito competem com a água;
é difícil de oxidar comparado à água, e dificilmente reduz para metal em água. Portanto as semi‑reações principais são as da água: redução no cátodo formando e oxidação no ânodo formando . Não inventamos isso — é regra prática em eletrólise aquosa.
Passo 3
Escrever as semi‑reações padrão (forma balanceada):
- Semi‑reação de redução (no cátodo): redução da água gerando hidrogênio gasoso e íons hidróxido:
Explicação didática: cada molécula de água pode aceitar elétrons; aqui, dois elétrons permitem formar uma molécula de
e dois
.
- Semi‑reação de oxidação (no ânodo): oxidação da água gerando oxigênio, prótons e elétrons:
Outra forma equivalente, usando
, é
. Ambas são consistentes; a que escrevemos mostra clara geração de
no ânodo.
Passo 4
Obter a reação global balanceada (somando as semi‑reações)
- Para somar, multiplica-se a semi‑reação de redução por 2 para igualar elétrons (já que a oxidação libera 4 e a redução consome 2):
Somando (elétrons se cancelam):
Simplificando água e combinando íons
e
que se neutralizam onde aparecem juntos, obtemos a forma usual:
Comentário: a equação global indica que a eletrólise de água produz duas moléculas de
para cada uma de
, refletindo a estequiometria 2:1 de volumes de gás.]
Passo 5
Explicação do efeito da fenolftaleína (por que rosa no cátodo e incolor no ânodo)
- Fenolftaleína é um indicador ácido‑base que: fica incolor em meio ácido/neutro e fica rosa em meio básico (acima de aproximadamente
). - No cátodo ocorre a semi‑reação de redução da água que gera
(veja Passo 3). O acúmulo de torna a região próxima do cátodo básica, então a fenolftaleína se torna rosa ali. - No ânodo ocorre a oxidação da água que gera
. O acúmulo de acidifica a região próxima do ânodo, deixando a fenolftaleína incolor. - Resumo intuitivo: cátodo → produção de
→ meio básico → rosa; ânodo → produção de → meio ácido → incolor.
Passo 6
Planejamento para calcular a constante de Avogadro: relação entre carga elétrica, mols de elétrons e mols de
- Ideia: medir carga elétrica total
que passou pelos eletrodos, relacionar com mols de elétrons transferidos por
onde
é a constante de Faraday (carga por mol de elétrons).
- Pela estequiometria da redução: para produzir
mol de são necessários mol de elétrons (veja semi‑reação de redução). Portanto
- Obtém‑se
a partir do volume coletado usando a equação dos gases ideais:
com
(hipótese),
,
,
.
Passo 7
Calcular
pelo gás ideal (detalhando cada número)
- Aplicando:
- Calcule o denominador:
. - Logo
Passo 8
Relacionar mols de
com mols de elétrons
- Pela estequiometria da redução:
Passo 9
Calcular a carga total
que passou nos eletrodos a partir da tabela de corrente (integração aproximada por regra do trapézio)
- Convertendo correntes para ampères: os valores da tabela em mA são
→ . - Dividimos o tempo em intervalos e usamos
. Cálculos por intervalo:
Intervalo 1:
a
,
,
Intervalo 2:
a
,
,
Intervalo 3:
a
,
,
Intervalo 4:
a
,
,
Intervalo 5:
a
,
,
- Soma das cargas:
Passo 10
Obter a constante de Faraday experimental e, a partir dela, a constante de Avogadro
- A constante de Faraday experimental
é:
- Relação entre
, constante de Avogadro e carga elementar :
Usamos o valor aceito para a carga elementar
.
- Portanto
Passo 11
Cálculo numérico final para
- Avaliando a divisão:
(Arredondando de forma adequada:
.)
- Observação sobre precisão: valor obtido difere do valor aceito
porque o experimento prático tem perdas (ineficiência, bolhas aderentes, vazamentos, leitura de volume, pressão real, etc.). Aqui fizemos hipóteses razoáveis (pressão ) e aproximação da integração por trapézio a partir de dados discretos.
Resposta
a)
reação global:
reação global:
b) No cátodo forma‑se
(meio básico) e a fenolftaleína fica rosa; no ânodo forma‑se
(meio ácido) e a fenolftaleína fica incolor.
c)
(valor experimental obtido com as hipóteses descritas).