Um pesquisador investigava o comportamento de metais em soluções salinas e observou
que o níquel metálico libera elétrons espontaneamente quando em contato com íons \mathrm{Ni}^{2+}.
Com base nessa informação, ele montou a pilha: \mathrm{Ni}^{\circ}\left|\mathrm{Cu}^{2+}\right|\left|\mathrm{Ni}^{2+}\right| \mathrm{Cu}^{\circ}
Assinale a alternativa correta quanto ao processo global dessa pilha.
a) o \mathrm{Ni}^{\circ} oxida \mathrm{e} \circ \mathrm{Cu}^{2+} reduz.
b) o experimento converteu cobre em niquel.
c) o cátodo é o \mathrm{Ni}^{2+} e o ânodo é o \mathrm{Ni}^{\circ}.
d) a solução de \mathrm{Cu}^{2+} torna-se mais concentrada.
e) a solução de \mathrm{Ni}^{2+} torna-se menos concentrada.
Passo 1
O enunciado pede que eu escolha a alternativa correta sobre o processo global da pilha representada por \mathrm{Ni}^{\circ}\left|\mathrm{Cu}^{2+}\right|\left|\mathrm{Ni}^{2+}\right| \mathrm{Cu}^{\circ}.
Informações dadas:
O pesquisador observou que o metal níquel libera elétrons espontaneamente quando em contato com íons \mathrm{Ni}^{2+} (ou seja, \mathrm{Ni}^{\circ} tende a oxidar a \mathrm{Ni}^{2+}).
A pilha está escrita na forma: \mathrm{Ni}^{\circ}\left|\mathrm{Cu}^{2+}\right|\left|\mathrm{Ni}^{2+}\right| \mathrm{Cu}^{\circ}.
As alternativas descrevem qual espécie oxida/reduz, qual é ânodo/cátodo e como mudam as concentrações das soluções.
Passo 2
Entender o que significa cada meia-reação importante (explicação passo a passo das reações redox).
Oxidação é perda de elétrons; redução é ganho de elétrons. O elétron é \mathrm{e}^-.
As meias-reações relevantes (escritas como redução) são:
Cada uma dessas é a forma de redução. A inversa de cada equação é a oxidação.
Passo 3
Explicar como decidir qual metálo/íon será reduzido ou oxidado na pilha (motivação física e potencial padrão):
Entre duas possíveis meias-reações como (1) e (2), aquela com maior tendência a ganhar elétrons (mais positiva potencial de redução padrão) será reduzida no cátodo.
Conhecimento comum (ou tabela de potenciais padrão) mostra que o cobre tem maior tendência a redução do que o níquel; em termos práticos:
Portanto, a meia-reação do cobre é mais facilmente reduzida que a do níquel.
Passo 4
Aplicar isso à pilha dada e decidir as reações que realmente ocorrem:
Como \mathrm{Cu}^{2+} tem maior potencial de redução, a meia-reação do cobre ocorrerá como redução:
\mathrm{Cu}^{2+} + 2\mathrm{e}^- \longrightarrow \mathrm{Cu}^{\circ}\quad(\text{redução no cátodo})çãá
Consequentemente, o níquel metálico será oxidado (pois os elétrons necessários para reduzir \mathrm{Cu}^{2+} vêm de algum metal que se oxida). A oxidação do níquel é a inversa de (1):
\mathrm{Ni}^{\circ} \longrightarrow \mathrm{Ni}^{2+} + 2\mathrm{e}^-\quad(\text{oxidação no ânodo})çãâ
Passo 5
Ligar isso à notação da pilha e à definição de ânodo e cátodo:
Convenção de notação de pilhas: a meia-célula da esquerda é o ânodo (oxidação) e a da direita é o cátodo (redução). A pilha dada é \mathrm{Ni}^{\circ}\left|\mathrm{Cu}^{2+}\right|\left|\mathrm{Ni}^{2+}\right| \mathrm{Cu}^{\circ}.
Mesmo com a mistura de espécies nas notações, o resultado prático é que \mathrm{Ni}^{\circ} (metal níquel) se oxida e \mathrm{Cu}^{2+} se reduz, ou seja o ânodo é a porção onde ocorre a oxidação do níquel e o cátodo é onde ocorre a redução do íon cobre.
Passo 6
Determinar o que isso implica sobre as concentrações das soluções e as demais alternativas:
Se \mathrm{Ni}^{\circ} oxida formando \mathrm{Ni}^{2+}, então a concentração de \mathrm{Ni}^{2+} aumenta (não diminui). Logo a alternativa (e) é falsa.
Se \mathrm{Cu}^{2+} é reduzido formando \mathrm{Cu}^{\circ}, então a concentração de \mathrm{Cu}^{2+} diminui (não aumenta). Logo a alternativa (d) é falsa.
A alternativa (b) diz que o experimento converteu cobre em níquel — isso está invertido: o que ocorre é que níquel metálico é convertido em íons \mathrm{Ni}^{2+} e íons \mathrm{Cu}^{2+} são convertidos em cobre metálico; não se converte cobre em níquel, então (b) é falsa.
A alternativa (c) afirma que o cátodo é \mathrm{Ni}^{2+} e o ânodo é \mathrm{Ni}^{\circ}. O ânodo ser \mathrm{Ni}^{\circ} está certo, mas o cátodo não é \mathrm{Ni}^{2+}; o cátodo é a meia-célula onde \mathrm{Cu}^{2+} é reduzido. Portanto (c) é falsa.
Passo 7
Resumo lógico final do processo global (repetindo de forma clara):
Reação de oxidação: \mathrm{Ni}^{\circ} \longrightarrow \mathrm{Ni}^{2+} + 2\mathrm{e}^-.
Reação de redução: \mathrm{Cu}^{2+} + 2\mathrm{e}^- \longrightarrow \mathrm{Cu}^{\circ}.
Conclusões: \mathrm{Ni}^{\circ} oxida; \mathrm{Cu}^{2+} reduz; concentração de \mathrm{Ni}^{2+} aumenta; concentração de \mathrm{Cu}^{2+} diminui.
Resposta
a) o \mathrm{Ni}^{\circ} oxida e o \mathrm{Cu}^{2+} reduz.