Quando uma solução aquosa de iodeto de zinco é eletrolisada, forma-se zinco metálico e iodo molecular. Dada as semirreações de redução:
\begin{array}{ll} \mathrm{I}_{2}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons 2 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}) & E^{\ominus}=+0,54 \mathrm{~V} \\\ \mathrm{Zn}^{2+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons \mathrm{Zn}(\mathrm{~s}) & E^{\ominus}=-0,76 \mathrm{~V} \end{array}
a) Qual eletrodo é o ânodo e qual é o cátodo?
b) Em qual eletrodo se deve aplicar o potencial positivo? E o potencial negativo?
c) Qual é a diferença de potencial mínima a ser aplicada na célula eletroquímica para ocorrer a eletrólise?

Passo 1

O enunciado pede três coisas: (a) identificar qual eletrodo é o ânodo e qual é o cátodo na eletrólise de uma solução aquosa de iodeto de zinco; (b) dizer em qual eletrodo se deve aplicar potencial positivo e em qual se deve aplicar potencial negativo; (c) calcular a diferença de potencial mínima a ser aplicada para que a eletrólise ocorra.
As informações fornecidas são as duas semirreações de redução padronizadas e seus potenciais-padrão:
\mathrm{I}_{2}(\mathrm{aq})+2\mathrm{e}^{-}\rightleftharpoons 2\mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}),\quad E^{\ominus}=+0,54\\ \mathrm{V}
\mathrm{Zn}^{2+}(\mathrm{aq})+2\mathrm{e}^{-}\rightleftharpoons \mathrm{Zn}(\mathrm{s}),\quad E^{\ominus}=-0,76\\ \mathrm{V}

Passo 2

Vamos lembrar, com calma, o que significam alguns termos importantes (aqui é aula rápida e prática):
  • Redução é ganho de elétrons; a meia-reação escrita com elétrons no lado direito é a redução. Ex.: \mathrm{Zn}^{2+} + 2\mathrm{e}^{-}\to\mathrm{Zn} é redução.
  • Oxidação é perda de elétrons; é a reação inversa da redução. Ex.: \mathrm{2I^{-}\to I_{2}+2e^{-}} é oxidação (inverso da redução dada).
  • Cátodo é o eletrodo onde ocorre redução; ânodo é o eletrodo onde ocorre oxidação.
  • O potencial padrão de redução E^{\ominus} indica quão facilmente uma espécie é reduzida: quanto mais positivo E^{\ominus}, mais favorecida a redução dessa espécie em condições padrão.

Passo 3

Interpretação dos potenciais dados (explicando o que cada número nos diz):
  • Para o par \mathrm{I}_{2}/\mathrm{I}^{-} temos E^{\ominus}=+0,54\\ \mathrm{V}. Isso significa que, em condições padrão, \mathrm{I}_{2} tende a ser reduzido a \mathrm{I}^{-} com potencial positivo — ou seja, \mathrm{I}_{2} é relativamente fácil de reduzir.
  • Para o par \mathrm{Zn}^{2+}/\mathrm{Zn} temos E^{\ominus}=-0,76\\ \mathrm{V}. Isso significa que, em condições padrão, a redução de \mathrm{Zn}^{2+} a \mathrm{Zn} é desfavorecida (valor negativo) em comparação com o padrão; ou seja, o zinco metálico tende a ser oxidado para \mathrm{Zn}^{2+} (pois o seu potencial de redução é baixo/negativo).

Passo 4

Usando a informação do enunciado sobre os produtos (forma-se zinco metálico e iodo molecular) e a definição de cátodo/ânodo:
  • Como forma-se zinco metálico, isso significa que \mathrm{Zn}^{2+} foi reduzido a \mathrm{Zn}. A redução ocorre no cátodo. Logo, o cátodo é o eletrodo onde ocorre a meia-reação
\mathrm{Zn}^{2+} + 2\mathrm{e}^{-}\to\mathrm{Zn}.
  • Como forma-se iodo molecular, isso significa que \mathrm{I}^{-} foi oxidado a \mathrm{I}_{2}. A oxidação ocorre no ânodo. Logo, o ânodo é o eletrodo onde ocorre a meia-reação
2\mathrm{I}^{-}\to\mathrm{I}_{2} + 2\mathrm{e}^{-}.

Passo 5

Explicando onde ligar os terminais da fonte (potenciais aplicados), intuitivamente e com física simples:
  • Em eletrólise, o eletrodo que recebe elétrons da fonte (e fica negativo) é o cátodo — ele atrai cátions e permite redução. Portanto, deve-se aplicar potencial negativo no cátodo (o polo negativo da fonte).
  • O eletrodo ligado ao polo positivo da fonte é o ânodo — ele atrai ânions e é onde ocorre a oxidação. Portanto, deve-se aplicar potencial positivo no ânodo (o polo positivo da fonte).
    Colocando em termos diretos: potencial negativo no eletrodo que reduz \mathrm{Zn}^{2+}; potencial positivo no eletrodo que oxida \mathrm{I}^{-}.

Passo 6

Agora vamos calcular a diferença de potencial mínima necessária. Para forçar a reação eletrolítica desejada precisamos aplicar uma tensão que vença a tendência natural (diferença entre potenciais de redução). A fórmula prática é:
E_{\text{aplicada,min}}=\;E^{\ominus}_{\text{redução no cátodo}} - E^{\ominus}_{\text{redução no ânodo}}çãáçãâ
Aqui, a “redução no cátodo” é a redução de \mathrm{Zn}^{2+} com E^{\ominus}=-0,76\\ \mathrm{V}. A “redução no ânodo” é a redução correspondente à reação inversa que ocorre lá; como no ânodo ocorre oxidação de \mathrm{I}^{-}, usamos o potencial de redução do par \mathrm{I}_{2}/\mathrm{I}^{-}, que é E^{\ominus}=+0,54\\ \mathrm{V}. Substituindo:
E_{\text{aplicada,min}} = (-0,76\\ \mathrm{V}) - (+0,54\\ \mathrm{V}).

Passo 7

Efetuando a conta com calma:
E_{\text{aplicada,min}} = -0,76 - 0,54 = -1,30\\ \mathrm{V}.
O sinal negativo indica apenas que, para que a redução ocorra no eletrodo escolhido (redução de \mathrm{Zn}^{2+}), é preciso que o cátodo esteja negativo em relação ao ânodo por uma diferença de potencial de 1,30\\ \mathrm{V}. Em termos práticos, a magnitude mínima da tensão a ser aplicada pela fonte é 1,30\\ \mathrm{V} (na polaridade correta: ânodo positivo, cátodo negativo). Observação prática: na vida real há perdas extras (sobrepotenciais), então normalmente se aplica um pouco mais do que 1,30\\ \mathrm{V}, mas teoricamente o mínimo é 1,30\\ \mathrm{V}.

Resposta

(a) ânodo: eletrodo onde ocorre a oxidação 2\mathrm{I}^{-}\to\mathrm{I}_{2}+2\mathrm{e}^{-}; cátodo: eletrodo onde ocorre a redução \mathrm{Zn}^{2+}+2\mathrm{e}^{-}\to\mathrm{Zn}.
(b) aplicar potencial positivo no ânodo e potencial negativo no cátodo.
(c) 1,30\\ \mathrm{V}.

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