HNI3 é um ácido oxidante e pode dissolver vários metais, mas também pode oxidar não metais, tais como S8 e P4 aos respectivos sulfatos e fosfatos. Escreva as equações correspondentes.

Passo 1

O enunciado pede que eu escreva as equações em que o ácido oxidante (escrito como \mathrm{HNI_3} no enunciado — vou interpretar isso como \mathrm{HNO_3}, ácido nítrico) oxida os não metais \mathrm{S_8} e \mathrm{P_4} aos respectivos sulfatos e fosfatos.
Informações relevantes fornecidas:
  • Reagentes iniciais: \mathrm{HNO_3} e \mathrm{S_8} (primeiro caso); \mathrm{HNO_3} e \mathrm{P_4} (segundo caso).
  • Produtos pedidos: sulfatos (isto é, na forma de ácido sulfúrico \mathrm{H_2SO_4} ou como íon \mathrm{SO_4^{2-}}) e fosfatos (isto é, na forma de ácido fosfórico \mathrm{H_3PO_4} ou como íon \mathrm{PO_4^{3-}}).
  • Não foi especificado o produto de redução do \mathrm{NO_3^-}; isso é importante porque \mathrm{HNO_3} pode ser reduzido a diferentes espécies ( \mathrm{NO}, \mathrm{NO_2}, etc.) dependendo da concentração.

Passo 2

Decisão sobre o produto de redução do nitrato (escolha do método): frequentemente, em presença de \mathrm{HNO_3} concentrado, o íon \mathrm{NO_3^-} é reduzido a \mathrm{NO_2} (gás dióxido de nitrogênio). Como o enunciado não disse “ácido nítrico diluído”, vou assumir o caso mais comum em provas: reação com \mathrm{HNO_3} concentrado, com redução para \mathrm{NO_2}. Se na sua prova esperarem \mathrm{NO} (caso de ácido diluído), o método é o mesmo — só muda o fator de elétrons e os coeficientes. Vou então balancear as reações em meio ácido com redução para \mathrm{NO_2}.

Passo 3

Relembrando e escolhendo o método de balanceamento (metodologia passo a passo que vou usar): vou usar o método das semi-reações (oxidação e redução separadas), adequado para reações redox em meio ácido. Esse método tem etapas claras: (a) escrever a semi-reação de oxidação do não metal; (b) escrever a semi-reação de redução do \mathrm{NO_3^-}; (c) balancear átomos que não sejam \mathrm{H} e \mathrm{O}; (d) balancear \mathrm{O} com \mathrm{H_2O} e \mathrm{H} com \mathrm{H^+}; (e) balancear cargas com elétrons \mathrm{e^-}; (f) multiplicar semi-reações para igualar elétrons e somar.

Passo 4

Começo pelo enxofre: determinar a semi-reação de oxidação.
  • Oxidação do enxofre: em \mathrm{S_8} cada átomo de S tem estado de oxidação 0. No íon \mathrm{SO_4^{2-}} o enxofre tem estado de oxidação +6. Cada átomo de S perde 6 elétrons ao passar de 0 para +6.
    Escrevo a semi-reação para um átomo de S em meio ácido e balanceio \mathrm{O} e \mathrm{H}:
\mathrm{S} + 4\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{SO_4^{2-}} + 8\,\mathrm{H^+} + 6\,\mathrm{e^-}
Verificação rápida: oxigênios: 4 à esquerda (nos 4\mathrm{H_2O}) e 4 em \mathrm{SO_4^{2-}}. Hidrogênios: 8 à esquerda, aparecem como 8\,\mathrm{H^+} à direita. Carga: esquerda 0; direita -2 + 8 + (-6) = 0. OK.

Passo 5

Agora uso \mathrm{S_8} como reagente real (não só um átomo). Multiplico a semi-reação por 8 para cobrir todos os átomos de enxofre em \mathrm{S_8}:
\mathrm{S_8} + 32\,\mathrm{H_2O} \rightarrow 8\,\mathrm{SO_4^{2-}} + 64\,\mathrm{H^+} + 48\,\mathrm{e^-}
Aqui a oxidação libera 48 elétrons no total.

Passo 6

Semi-reação de redução do nitrato a \mathrm{NO_2} em meio ácido (redução padrão usada com \mathrm{HNO_3} concentrado):
\mathrm{NO_3^-} + 2\,\mathrm{H^+} + \mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{NO_2} + \mathrm{H_2O}
Verificação: átomos e carga balanceados (N:1, O:3=2+1, carga: esquerda -1+2-1=0, direita 0).

Passo 7

Igualo o número de elétrons trocados: a oxidação (Passo 5) libera 48 elétrons; a redução consome 1 elétron por \mathrm{NO_3^-}. Multiplico a semi-reação de redução por 48:
48\,\mathrm{NO_3^-} + 96\,\mathrm{H^+} + 48\,\mathrm{e^-} \rightarrow 48\,\mathrm{NO_2} + 48\,\mathrm{H_2O}

Passo 8

Somando as duas semi-reações (oxidação + redução), os elétrons se cancelam. Escrevo a soma e simplifico \mathrm{H_2O} e \mathrm{H^+}:
\begin{aligned} &\mathrm{S_8} + 32\,\mathrm{H_2O} + 48\,\mathrm{NO_3^-} + 96\,\mathrm{H^+} \\\ &\quad\rightarrow 8\,\mathrm{SO_4^{2-}} + 64\,\mathrm{H^+} + 48\,\mathrm{NO_2} + 48\,\mathrm{H_2O} \end{aligned}
Agora cancelo \mathrm{H_2O} e \mathrm{H^+} em ambos os lados: 32\,\mathrm{H_2O} à esquerda e 48\,\mathrm{H_2O} à direita deixam 16\,\mathrm{H_2O} à direita. Para \mathrm{H^+}: 96 à esquerda e 64 à direita deixam 32\,\mathrm{H^+} à esquerda. Resultado:
\mathrm{S_8} + 48\,\mathrm{NO_3^-} + 32\,\mathrm{H^+} \rightarrow 8\,\mathrm{SO_4^{2-}} + 48\,\mathrm{NO_2} + 16\,\mathrm{H_2O}

Passo 9

Volto a uma forma com ácidos moleculares (escrever em termos de \mathrm{HNO_3} e \mathrm{H_2SO_4} fica mais usual em provas). Quero transformar os íons \mathrm{NO_3^-} e \mathrm{H^+} em \mathrm{HNO_3}. Note que se eu somar 16\,\mathrm{H^+} a ambos os lados posso protonar os 8\,\mathrm{SO_4^{2-}} e obter 8\,\mathrm{H_2SO_4}:
Adicionando 16\,\mathrm{H^+} a ambos os lados (manutenção do equilíbrio) eu obtenho:
\mathrm{S_8} + 48\,\mathrm{NO_3^-} + 48\,\mathrm{H^+} \rightarrow 8\,\mathrm{H_2SO_4} + 48\,\mathrm{NO_2} + 16\,\mathrm{H_2O}
Agora 48\,\mathrm{NO_3^-} + 48\,\mathrm{H^+} correspondem exatamente a 48\,\mathrm{HNO_3}. Assim a equação final, em termos de reagentes e produtos moleculares, fica:
\mathrm{S_8} + 48\,\mathrm{HNO_3} \rightarrow 8\,\mathrm{H_2SO_4} + 48\,\mathrm{NO_2} + 16\,\mathrm{H_2O}
Fiz checagens rápidas: átomos de \mathrm{S},\,N,\,O,\,H e cargas (todas as espécies são neutras aqui) conferem.

Passo 10

Agora repito o mesmo procedimento para o fósforo \mathrm{P_4}. Estado de oxidação: em \mathrm{P_4} é 0; no \mathrm{PO_4^{3-}} o fósforo tem +5. Cada átomo de P perde 5 elétrons. Escrevo a semi-reação de oxidação para um átomo de P em meio ácido:
\mathrm{P} + 4\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{PO_4^{3-}} + 8\,\mathrm{H^+} + 5\,\mathrm{e^-}
Verificação: O e H checados; carga: esquerda 0, direita -3+8-5=0. OK.

Passo 11

Multiplico por 4 para usar \mathrm{P_4}:
\mathrm{P_4} + 16\,\mathrm{H_2O} \rightarrow 4\,\mathrm{PO_4^{3-}} + 32\,\mathrm{H^+} + 20\,\mathrm{e^-}
Oxidação libera 20 elétrons.

Passo 12

Uso novamente a semi-reação de redução do nitrato a \mathrm{NO_2}:
\mathrm{NO_3^-} + 2\,\mathrm{H^+} + \mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{NO_2} + \mathrm{H_2O}
Multiplico por 20 (para igualar os 20\,\mathrm{e^-}):
20\,\mathrm{NO_3^-} + 40\,\mathrm{H^+} + 20\,\mathrm{e^-} \rightarrow 20\,\mathrm{NO_2} + 20\,\mathrm{H_2O}

Passo 13

Somando as duas semi-reações e simplificando \mathrm{H_2O} e \mathrm{H^+}:
\begin{aligned} &\mathrm{P_4} + 16\,\mathrm{H_2O} + 20\,\mathrm{NO_3^-} + 40\,\mathrm{H^+} \\\ &\quad\rightarrow 4\,\mathrm{PO_4^{3-}} + 32\,\mathrm{H^+} + 20\,\mathrm{NO_2} + 20\,\mathrm{H_2O} \end{aligned}
Cancelo \mathrm{H_2O}: 16 à esquerda e 20 à direita deixam 4 \mathrm{H_2O} à direita. Para \mathrm{H^+}: 40 à esquerda e 32 à direita deixam 8 \mathrm{H^+} à esquerda. Resultado:
\mathrm{P_4} + 20\,\mathrm{NO_3^-} + 8\,\mathrm{H^+} \rightarrow 4\,\mathrm{PO_4^{3-}} + 20\,\mathrm{NO_2} + 4\,\mathrm{H_2O}

Passo 14

Converto para a forma com ácidos moleculares \mathrm{HNO_3} e \mathrm{H_3PO_4}. Quero escrever os fosfatos como \mathrm{H_3PO_4}. Para protonar 4\,\mathrm{PO_4^{3-}} até 4\,\mathrm{H_3PO_4} são necessários 12\,\mathrm{H^+} no lado dos produtos:
4\,\mathrm{PO_4^{3-}} + 12\,\mathrm{H^+} \rightarrow 4\,\mathrm{H_3PO_4}
Para conseguir que os números de \mathrm{NO_3^-} e \mathrm{H^+} fiquem iguais (e assim representáveis como \mathrm{HNO_3}), adiciono 12\,\mathrm{H^+} a ambos os lados da equação anterior (isto é só manipulação algébrica que preserva o balanço). Assim a equação torna-se:
\mathrm{P_4} + 20\,\mathrm{NO_3^-} + 20\,\mathrm{H^+} \rightarrow 4\,\mathrm{H_3PO_4} + 20\,\mathrm{NO_2} + 4\,\mathrm{H_2O}
Agora 20\,\mathrm{NO_3^-} + 20\,\mathrm{H^+} corresponde a 20\,\mathrm{HNO_3}. Portanto a equação final em termos moleculares é:
\mathrm{P_4} + 20\,\mathrm{HNO_3} \rightarrow 4\,\mathrm{H_3PO_4} + 20\,\mathrm{NO_2} + 4\,\mathrm{H_2O}
Fiz verificação rápida de átomos: fósforo 4, nitrogênio 20, oxigênio e hidrogênio também conferem.

Resposta

\mathrm{S_8} + 48\,\mathrm{HNO_3} \rightarrow 8\,\mathrm{H_2SO_4} + 48\,\mathrm{NO_2} + 16\,\mathrm{H_2O}
\mathrm{P_4} + 20\,\mathrm{HNO_3} \rightarrow 4\,\mathrm{H_3PO_4} + 20\,\mathrm{NO_2} + 4\,\mathrm{H_2O}

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