A equação seguinte representa uma importante reação de corrosão do ferro em meio ácido
\mathrm{Fe}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{HCl}(\mathrm{aq} .)+1 / 2 \mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{FeCl}_{2}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})
a) Identifique as semi-reações de oxidação e redução
b) Escreva a equação de Nernst para esta célula
c) Qual a direção espontânea para esta reação quando as concentrações dos íons \mathrm{Fe}^{2}+\mathrm{e} \mathrm{H}^{+} correspondem a 1 M ?

Passo 1

O enunciado apresenta a reação de corrosão do ferro em meio ácido
\mathrm{Fe}(s) + 2\,\mathrm{HCl}(aq) + \tfrac12\,\mathrm{O}_2(g) \longrightarrow \mathrm{FeCl}_2(aq) + \mathrm{H}_2O(l).
O conteúdo é eletroquímica: vamos identificar as semi-reações, montar a equação de Nernst e determinar a direção espontânea.

Passo 2

Identificamos primeiro as semi-reações de oxidação (ânodo) e redução (cátodo).
Oxidação (ânodo):
\mathrm{Fe}(s)\longrightarrow \mathrm{Fe}^{2+}(aq) + 2\,e^-.
Redução (cátodo):
\tfrac12\,\mathrm{O}_2(g) + 2\,\mathrm{H}^+(aq) + 2\,e^- \longrightarrow \mathrm{H}_2O(l).

Passo 3

Para a célula global, o potencial padrão é
E^\circ = E^\circ_{\text{red}} - E^\circ_{\text{ox}} = 1,23\;V - (-0,44\;V) = 1,67\;V,
e a equação de Nernst, com n=2, é
E = E^\circ - \frac{RT}{2F}\,\ln Q,
onde o quociente de reação é
Q = \frac{a_{\mathrm{Fe}^{2+}}}{a_{\mathrm{H}^+}^2\,(p_{\mathrm{O}_2})^{1/2}}\,.

Passo 4

Se a_{\mathrm{Fe}^{2+}}=1, a_{\mathrm{H}^+}=1 e p_{\mathrm{O}_2}=1,bar, então Q=1 e
E = E^\circ - \frac{RT}{2F}\ln(1) = E^\circ = 1,67\;V > 0.
Como E>0, a reação segue espontaneamente no sentido escrito (formação de \mathrm{Fe}^{2+} e \mathrm{H}_2O).

Resposta

a) Oxidação (ânodo):
\mathrm{Fe}(s)\longrightarrow \mathrm{Fe}^{2+}(aq) + 2\,e^-.
Redução (cátodo):
\tfrac12\,\mathrm{O}_2(g) + 2\,\mathrm{H}^+(aq) + 2\,e^- \longrightarrow \mathrm{H}_2O(l).
b)
E = E^\circ - \frac{RT}{2F}\,\ln\!\Bigl(\frac{a_{\mathrm{Fe}^{2+}}}{a_{\mathrm{H}^+}^2\,(p_{\mathrm{O}_2})^{1/2}}\Bigr), \quad E^\circ = 1{,}67\;V.
c) Para a_{\mathrm{Fe}^{2+}}=1 e a_{\mathrm{H}^+}=1, E=E^\circ>0, logo a reação é espontânea no sentido de formação de \mathrm{Fe}^{2+} e \mathrm{H}_2O.

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