(Uece) Assinale a alternativa correta:
a) A síntese da água, 2 \mathrm{H}_{2}(\mathrm{~g})+\mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\mathrm{Pt}} 2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g}) catalisada pela adição de platina em pó é uma catálise homogênea.
b) A reação entre cobre e ácido diluído, 3 \mathrm{Cu}(\mathrm{s})+8 \mathrm{HNO}_{3}(\mathrm{aq}) \longrightarrow \longrightarrow \mathrm{Cu}\left(\mathrm{NO}_{3}\right)_{2}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{NO}(\mathrm{g})+4 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\ell) se inicia com a velocidade de reação baixa, mas paulatinamente a velocidade aumenta até que a reação torna-se muito rápida. Ocorre uma autocatálise.
c) O catalisador altera o \Delta H da reação.
d) Um catalisador acelera a reação e, portanto, aumenta seu rendimento.
Passo 1
O enunciado apresenta quatro alternativas (a), (b), (c) e (d) e pede para assinalar a alternativa correta. As informações dadas são as próprias afirmações das alternativas, que eu devo avaliar uma a uma para decidir qual é verdadeira. Vou listar as quatro afirmativas exatamente como aparecem (usando TeX para as fórmulas químicas):
(a) A síntese da água, \;2\mathrm{H}_{2}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) \xrightarrow{\mathrm{Pt}} 2\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}(\mathrm{g})\; catalisada pela adição de platina em pó é uma catálise homogênea.
(b) A reação entre cobre e ácido diluído, \;3\mathrm{Cu}(\mathrm{s})+8\mathrm{HNO}_{3}(\mathrm{aq})\longrightarrow \mathrm{Cu}\left(\mathrm{NO}_{3}\right)_{2}(\mathrm{aq})+2\mathrm{NO}(\mathrm{g})+4\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}(\ell)\; se inicia com a velocidade de reação baixa, mas paulatinamente a velocidade aumenta até que a reação torna-se muito rápida. Ocorre uma autocatálise.
(c) O catalisador altera o \Delta H da reação.
(d) Um catalisador acelera a reação e, portanto, aumenta seu rendimento.
A minha missão é analisar cada afirmativa com explicações didáticas e decidir qual alternativa está correta.
Passo 2
Explicando o que é catálise homogênea versus heterogênea (para avaliar a alternativa (a)):
Catálise homogênea: o catalisador está na mesma fase que os reagentes. Ex.: reagentes em solução aquosa e catalisador também dissolvido nessa solução (mesma fase: líquido).
Catálise heterogênea: o catalisador está em fase diferente dos reagentes. Ex.: um sólido que catalisa reações entre gases ou entre espécies em solução.
O platina em pó é um sólido e os reagentes estão no estado gasoso; portanto o catalisador está em fase diferente dos reagentes. Conclusão: isso é catálise heterogênea, não homogênea. Logo (a) é falsa.
Passo 3
Explicando o que faz (e não faz) um catalisador para responder (c) e (d):
Primeiro, entenda \Delta H como a variação de entalpia entre produtos e reagentes:
\Delta H = H_{\text{produtos}} - H_{\text{reagentes}}.
Entalpia é uma função de estado: depende apenas dos estados inicial e final, não do caminho/ mecanismo. Um catalisador fornece um caminho alternativo de menor energia de ativação, mas os estados inicial e final permanecem os mesmos. Portanto o catalisador não altera os valores de entalpia dos reagentes e produtos e, portanto, não altera \Delta H. Conclusão: a afirmativa (c) é falsa.
Agora sobre rendimento e equilíbrio (relacionado a (d)): o catalisador acelera a velocidade com que o sistema atinge o equilíbrio químico, porque reduz a energia de ativação tanto da reação direta quanto da inversa. A constante de equilíbrio K depende de grandezas termodinâmicas (por ex. \Delta G^\circ) e não do mecanismo cinético. A relação
\Delta G^\circ = -RT\ln K
mostra que K (e portanto o rendimento no equilíbrio) não depende de presença de catalisador. Assim, um catalisador não altera o rendimento máximo em equilíbrio; ele apenas faz o sistema chegar ao equilíbrio mais rápido. Conclusão: (d) é falsa.
Passo 4
O que é autocatálise (para avaliar (b)):
Autocatálise ocorre quando um produto da reação atua como catalisador da própria reação, fazendo com que a velocidade aumente à medida que o produto se acumula. Qualitativamente, numa reação autocatítica você observa uma fase inicial lenta (quando o produto catalítico está em pequena concentração), seguida de aceleração à medida que o produto se forma e passa a catalisar, até que o reagente limitante se esgote.
Um exemplo genérico: se A\to B e B catalisa a transformação de A em mais B, a velocidade aumenta com o tempo enquanto B cresce.
Passo 5
Aplicando ao caso específico da reação do cobre com ácido nítrico diluído (analisando (b)):
Do ponto de vista experimental, essa reação frequentemente mostra um período inicial relativamente lento (indução) e depois acelera — comportamento típico de uma autocatálise. O motivo físico-químico é que os óxidos ou filmes na superfície do metal e a pequena concentração inicial de espécies de nitrogênio reduzidas (como \mathrm{NO} ou \mathrm{NO_{2}}) fazem com que a oxidação inicial do cobre seja lenta; à medida que pequenas quantidades de óxidos nitrosos são formadas, esses produtos participam de ciclos redox que facilitam a remoção do filme superficial e a oxidação contínua do metal, acelerando a reação. Em termos simples e didáticos: um dos produtos (espécies de óxidos de nitrogênio gerados) atua promovendo etapas que tornam mais fácil a continuação da oxidação do cobre — exatamente o que chamamos de autocatálise.
Portanto a descrição de (b) — “início lento, depois aceleração até ficar muito rápida; ocorre autocatálise” — está de acordo com o comportamento observado e com a definição de autocatálise. Logo (b) é verdadeira.
Passo 6
Resumo das conclusões (cada alternativa avaliada):
(a) Falsa — a platina em pó atua como catalisador heterogêneo na reação gasosa.
(b) Verdadeira — a reação cobre + ácido nítrico diluído apresenta comportamento de autocatálise (aceleração com acúmulo de produtos que promovem a reação).
(c) Falsa — catalisador não altera \Delta H (função de estado).
(d) Falsa — catalisador acelera a chegada ao equilíbrio, mas não aumenta o rendimento em equilíbrio.