Explique o comportamento oxidante e redutos da água em presença do \mathrm{Ca}(\mathrm{s}) e da molécula de flúor ( \mathrm{F}_{2} )

Passo 1

O enunciado pede que eu explique o comportamento oxidante e redutor da água na presença de (a) \mathrm{Ca(s)} e (b) da molécula de flúor \mathrm{F_{2}}.
Informações dadas: presença de \mathrm{Ca(s)} (cálcio metálico) e presença de \mathrm{F_{2}} (gás diflúor).
O que é pedido: dizer quando a água atua como agente oxidante (aceita elétrons) ou como agente redutor (doa elétrons), e explicar com reações e argumentos por que isso acontece.

Passo 2

Conceitos básicos (passo-a-passo, sem pular nada):
  • Oxidação é perda de elétrons; redução é ganho de elétrons. Sempre vêm em pares (meia-reações).
  • Agente redutor é a espécie que é oxidada (doa elétrons).
  • Agente oxidante é a espécie que é reduzida (aceita elétrons).
  • Para identificar, escrevemos números de oxidação e/ou as meias-reações e vemos quem perde e quem ganha elétrons. Vou aplicar isso nos dois casos.

Passo 3

Caso (a): reação típica entre \mathrm{Ca(s)} e água — reação escrita e interpretação.
A reação molecular usual é:
\mathrm{Ca(s)} + 2\,\mathrm{H_{2}O(l)} \longrightarrow \mathrm{Ca(OH)_{2}(aq)} + \mathrm{H_{2}(g)}
Agora os números de oxidação (avaliação rápida):
  • Para \mathrm{Ca} em estado puro: \mathrm{Ca}=0.
  • Em \mathrm{Ca^{2+}} (no \mathrm{Ca(OH)_{2}}) temos \mathrm{Ca}=+2. Logo o cálcio foi oxidado ( 0 \to +2).
  • No \mathrm{H_{2}O} o \mathrm{H} tem +1 e, no \mathrm{H_{2}}, \mathrm{H}=0. Logo o hidrogênio foi reduzido ( +1 \to 0).
    Meias-reações (em meio aquoso básico, porque se forma \mathrm{OH^-}):
    oxidação do cálcio:
\mathrm{Ca(s)} \longrightarrow \mathrm{Ca^{2+}} + 2\,\mathrm{e^-}
redução da água:
2\,\mathrm{H_{2}O(l)} + 2\,\mathrm{e^-} \longrightarrow \mathrm{H_{2}(g)} + 2\,\mathrm{OH^-}
Somando as meias-reações obtemos a equação iônica e, reorganizando, a equação molecular dada acima.
Conclusão desse caso: \mathrm{Ca} é oxidado (doa elétrons) → é o agente redutor; a água é reduzida (recebe elétrons, dá \mathrm{H_{2}}) → a água atua como agente oxidante neste caso. Observação prática: a reação é vigorosa; \mathrm{Ca(OH)_{2}} torna a solução básica.

Passo 4

Caso (b): reação entre \mathrm{F_{2}} e água — reação escrita e interpretação.
A reação conhecida é:
2\,\mathrm{F_{2}(g)} + 2\,\mathrm{H_{2}O(l)} \longrightarrow 4\,\mathrm{HF(aq)} + \mathrm{O_{2}(g)}
Análise por números de oxidação:
  • Em \mathrm{F_{2}}: \mathrm{F}=0. Em \mathrm{HF}: \mathrm{F}=-1. Logo o flúor foi reduzido ( 0 \to -1).
  • Em \mathrm{H_{2}O}: \mathrm{O}=-2. Em \mathrm{O_{2}}: \mathrm{O}=0. Logo o oxigênio foi oxidado ( -2 \to 0). O hidrogênio fica em \mathrm{HF} com +1.
    Meias-reações (mostrando elétrons; aqui uso forma ácida/geral para clareza):
    redução do diflúor (cada \mathrm{F_{2}} aceita 2 e^-):
\mathrm{F_{2}} + 2\,\mathrm{e^-} \longrightarrow 2\,\mathrm{F^-}
oxidação da água (duas moléculas dão oxigênio; gera prótons e elétrons):
2\,\mathrm{H_{2}O(l)} \longrightarrow \mathrm{O_{2}(g)} + 4\,\mathrm{H^{+}} + 4\,\mathrm{e^-}
Para combinar, preciso de 4 elétrons no lado da redução, logo multiplico a meia-reação de \mathrm{F_{2}} por 2 e somo. Depois neutralizo \mathrm{H^{+}} com \mathrm{F^{-}} formando \mathrm{HF} e chego à equação molecular dada.
Conclusão desse caso: \mathrm{F_{2}} é fortíssimo agente oxidante (aceita elétrons e é reduzido a \mathrm{F^-}) e a água é oxidada a \mathrm{O_{2}} (ou seja, a água doa elétrons) → aqui a água atua como agente redutor. Observação prática: a reação é altamente energética e forma \mathrm{HF}, que é muito corrosivo e perigoso.

Passo 5

Justificação termodinâmica curta (para ganhar intuição, sem contas difíceis):
  • O potencial padrão de redução do par \mathrm{F_{2}/F^-} é muito alto: \;E^\circ(\mathrm{F_{2}/F^-})=+2,87\\ \mathrm{V}. Espécies com alto E^\circ tendem a ser reduzidas (são fortes oxidantes).
  • O potencial padrão do par \mathrm{Ca^{2+}/Ca} é muito baixo: \;E^\circ(\mathrm{Ca^{2+}/Ca})=-2,87\\ \mathrm{V}. Espécies com E^\circ muito negativo tendem a ser oxidadas (são bons redutores).
    Isto explica qualitativamente por que \mathrm{F_{2}} “puxa” elétrons da água (oxidando-a) e por que \mathrm{Ca} “cede” elétrons para a água (reduzindo-a).

Passo 6

Resumo didático e incentivo:
  • Com metais muito eletropositivos como \mathrm{Ca(s)}, a água aceita elétrons e vira \mathrm{H_{2}}: aí a água é agente oxidante.
  • Com agentes altamente eletronegativos e fortes oxidantes como \mathrm{F_{2}}, a água doa elétrons e vira \mathrm{O_{2}}: aí a água é agente redutor.
    Você pode sempre identificar o papel da água escrevendo meias-reações, verificando quem perde/gana elétrons e checando os números de oxidação — é um procedimento mecânico que dá segurança na prova. Força aí — dá para aprender esse passo-a-passo e aplicar rápido!

Resposta

Com \mathrm{Ca(s)}: a água atua como agente oxidante (é reduzida a \mathrm{H_{2}}).
Com \mathrm{F_{2}}: a água atua como agente redutor (é oxidada a \mathrm{O_{2}}).

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