Questão 12. Esquematize uma célula galvânica em que ocorre a seguinte reação global:
a) Indique o cátodo e o ânodo, e a direção do fluxo de elétrons.
b) Indique a direção do fluxo de cátions e ânions nas semi-células e na ponte salina.
c) Calcule o potencial da pilha se as concentrações dos íons são
.
b) Indique a direção do fluxo de cátions e ânions nas semi-células e na ponte salina.
c) Calcule o potencial da pilha se as concentrações dos íons são
Passo 1
O enunciado fornece a reação global
e pede três coisas:
- (a) Indicar o cátodo e o ânodo e a direção do fluxo de elétrons.
- (b) Indicar a direção do fluxo de cátions e ânions nas semi-células e na ponte salina.
- (c) Calcular o potencial da pilha quando as concentrações dos íons são
.
Informações relevantes dadas no enunciado:
- Espécies envolvidas:
, , , . - Concentrações dos íons para o item (c):
e . - A reação global já nos mostra que
é convertido em e é convertido em .
Passo 2
Separei a reação nas duas semi-reações possíveis (metodicamente): escrever as reações de redução padrão para cada espécie e ver qual se reduz e qual se oxida.
As meias-reações (redução) relevantes são:
Observação didática: cada meia-reação escrita como redução mostra a tendência da espécie iônica em ganhar elétrons. A comparação entre potenciais de redução padrão é a maneira padrão de decidir qual meia-reação ocorre como redução numa pilha galvânica.
Passo 3
Vou explicar o conceito de potencial padrão de redução (
) e fornecer os valores usados.
O que é
?
-
é a diferença de potencial (em volts) medida quando a solução iônica está na atividade padrão (normalmente ) e descreve a tendência da meia-reação a ocorrer como redução em relação ao eletrodo padrão de hidrogênio. - Quanto mais positivo
, maior a tendência da espécie a ser reduzida.
Valores padrão (tabelados) que vou usar:
Comentário empático: sei que decorar tabelas é chato — aqui usamos os valores tabulados porque é o procedimento padrão nas provas.
Passo 4
Decidir quem é cátodo e ânodo comparando os
.
Regra prática: a meia-reação com
mais positivo ocorrerá como redução (cátodo). A outra será oxidada (ânodo).
Comparando:
logo a meia-reação
é a redução (cátodo) e a meia-reação
é a oxidação (ânodo).
Portanto:
- Cátodo: eletrodo onde ocorre redução — o eletrodo de níquel (
). - Ânodo: eletrodo onde ocorre oxidação — o eletrodo de ferro (
).
Direção do fluxo de elétrons (explicação): elétrons são gerados na oxidação (ânodo) e fluem pelo circuito externo até o cátodo, onde são consumidos pela redução. Assim, os elétrons fluem de
(ânodo) para
(cátodo).
Notação de célula (forma compacta, com ânodo à esquerda):
Passo 5
Expliquei o que acontece com as cargas e o papel da ponte salina; agora descrevo os fluxos iônicos com detalhes didáticos.
Fenômeno físico que cria fluxo de íons:
- No ânodo (Fe), ocorre oxidação
. Isso gera excesso de cargas positivas ( ) na semi-célula do ânodo. - No cátodo (Ni), ocorre redução
. Isso consome cargas positivas ( ) na semi-célula do cátodo, deixando a solução relativamente mais negativa se nada se mover.
Função da ponte salina:
- A ponte salina permite a passagem de íons neutros (normalmente um par
ou ) para manter a neutralidade elétrica e completar o circuito iônico sem misturar diretamente as soluções dos dois eletrodos.
Direção dos fluxos (regra prática e explicação):
- Cátions (íons positivos) movem-se da ponte salina para o cátodo, porque no cátodo a redução retira cátions do volume e o compartimento tende a ficar negativo; a entrada de cátions compensa essa deficiência.
- Ânions (íons negativos) movem-se da ponte salina para o ânodo, porque no ânodo são gerados cátions (
) e o compartimento tende a ficar positivamente carregado; a entrada de ânions neutraliza esse excesso.
Resumindo de forma direta:
- Fluxo de cátions: da ponte salina para a semi-célula do cátodo (entrando no compartimento do níquel).
- Fluxo de ânions: da ponte salina para a semi-célula do ânodo (entrando no compartimento do ferro).
Passo 6
Calcular o potencial da pilha: uso do potencial padrão da pilha e do potencial de Nernst.
Fórmula geral (Nernst) para uma reação global à temperatura
(explicando cada símbolo):
onde
-
é o potencial da célula sob as condições dadas, -
é o potencial padrão da célula, -
é a constante dos gases ideais ( ), -
é a temperatura absoluta (usualmente para condições padrão), -
é o número de elétrons trocados na reação global (aqui ), -
é a constante de Faraday ( ), -
é o quociente de reação (usamos concentrações das espécies aquosas; sólidos não entram em ).
Escrever
da pilha:
Substituindo os valores tabulados:
Determinar
(reação global):
Para a reação
Para a reação
o quociente de reação é (sólidos excluídos)
Condições do item (c):
e
. Então
Quando
,
e a equação de Nernst dá
. Portanto:
Observação de método: poderíamos também calcular numericamente o termo
para conferir que é zero quando
; se as concentrações fossem diferentes de
, usaríamos aquele termo para ajustar
.
Passo 7
Esquema final da célula (descrição prática para montar na prova):
- Semi-célula do ânodo (esquerda): eletrodo de ferro
mergulhado em solução contendo a . - Semi-célula do cátodo (direita): eletrodo de níquel
mergulhado em solução contendo a . - Ponte salina entre as duas soluções para permitir o movimento de íons sem mistura direta.
- Fios e um voltímetro/consumidor conectando
(ânodo) a (cátodo); os elétrons fluem do ânodo ( ) para o cátodo ( ) no circuito externo.
Pequeno incentivo: você já conseguiu identificar as peças chave — anodo, catodo, movimento de íons e calcular o potencial — é esse tipo de raciocínio passo a passo que cai na prova. Vai dar certo!
Resposta
a) Cátodo:
(redução). Ânodo:
(oxidação). Fluxo de elétrons: de
(ânodo) para
(cátodo).\n
b) Fluxo de cátions: da ponte salina para o cátodo (entrando no compartimento do níquel). Fluxo de ânions: da ponte salina para o ânodo (entrando no compartimento do ferro).\n
c) Potencial da pilha: .
b) Fluxo de cátions: da ponte salina para o cátodo (entrando no compartimento do níquel). Fluxo de ânions: da ponte salina para o ânodo (entrando no compartimento do ferro).\n
c) Potencial da pilha: