(UFMG) Na cozinha de uma casa, foram feitos quatro experimentos para descobrir-se em que condições uma esponja de lã de aço se oxidava mais rapidamente. Nesta tabela, estão descritas as condições em que os experimentos foram realizados e quais deles resultaram em oxidação do ferro metálico:
Experimento Condições Oxidação da esponja
I Esponja seca, em contato com o ar seco Não
II Esponja úmida, em contato com o ar seco Sim
III Esponja parcialmente mergulhada em água Sim
IV Esponja completamente mergulhada em água fervida Não
A primeira etapa da oxidação do ferro metálico é a conversão de \mathrm{Fe}(\mathrm{s}) em Fe { }^{2+}.
Considerando-se os experimentos descritos e seus resultados, é correto afirmar que a equação que, mais provavelmente, representa essa primeira etapa é:
a) \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+\frac{1}{2} \mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g}) \longrightarrow \mathrm{FeO}(\mathrm{s})
b) \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\ell) \longrightarrow \mathrm{FeO}(\mathrm{s})+\mathrm{H}_{2}(\mathrm{~s})
c) \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+1 / 2 \mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\ell) \longrightarrow \mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{2}(\mathrm{~s})
d) \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\ell) \longrightarrow \mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{2}(\mathrm{~s})+\mathrm{H}_{2}(\mathrm{~g})

Passo 1

O que o enunciado pede: escolher, entre as alternativas dadas, a equação que mais provavelmente representa a PRIMEIRA etapa da oxidação do ferro metálico, isto é, a conversão de \mathrm{Fe}(\mathrm{s}) em \mathrm{Fe}^{2+}.
Informações fornecidas pelos experimentos (resumo dos resultados da tabela):
  • Experimento I: esponja seca, em contato com ar seco → oxidação: Não.
  • Experimento II: esponja úmida, em contato com ar seco → oxidação: Sim.
  • Experimento III: esponja parcialmente mergulhada em água → oxidação: Sim.
  • Experimento IV: esponja completamente mergulhada em água fervida → oxidação: Não.

Passo 2

Entender o que significa "primeira etapa: \mathrm{Fe}(\mathrm{s}) \mathrm{Fe}^{2+}".
  • Oxidação, em química, significa perda de elétrons. Para o ferro metálico isso costuma ser:
\mathrm{Fe}(\mathrm{s}) \longrightarrow \mathrm{Fe}^{2+} + 2\mathrm{e}^-
ou seja, o ferro perde dois elétrons e fica com carga +2. Isso é o que a alternativa final deve representar, direta ou indiretamente (por exemplo formando um composto no qual o ferro está no estado +2).

Passo 3

Observação importante sobre os reagentes exigidos nas alternativas e o que cada experimento nos diz sobre presença/ausência desses reagentes:
  • Ar seco contém \mathrm{O}_2 (oxigénio), mas não contém água livre. Experimento I (ar seco + esponja seca) não deu oxidação → indica que apenas \mathrm{O}_2 no ar, sem água, não é suficiente para a primeira etapa.
  • Esponja úmida em ar seco (Experimento II) apresentou oxidação → indica que a presença de água JUNTAMENTE com \mathrm{O}_2 permite a oxidação.
  • Esponja parcialmente mergulhada (Experimento III) tem simultaneamente água e contato com o ar (ou seja, \mathrm{O}_2 disponível na interface) → oxidação ocorre, consistente com necessidade de ambos.
  • Esponja completamente mergulhada em água fervida (Experimento IV) não oxidou. Água fervida tem muito pouco \mathrm{O}_2 dissolvido porque o aquecimento expulsa gases dissolvidos → sugere que, mesmo com água presente, a AUSÊNCIA de \mathrm{O}_2 impede a oxidação.
Conclusão interina: os dados experimentais apontam que são necessários ao mesmo tempo água e oxigénio dissolvido/atmosférico para que ocorra a primeira etapa da oxidação.

Passo 4

Analisar a natureza dos produtos nas alternativas e verificar se contêm \mathrm{Fe}^{2+}:
  • Alternativa (a): \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+\tfrac{1}{2}\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) \longrightarrow \mathrm{FeO}(\mathrm{s}). Aqui o produto \mathrm{FeO} contém ferro com oxidação +2 (porque \mathrm{O} é -2), então do ponto de vista do estado de oxidação dá \mathrm{Fe}^{2+}. Porém esta reação exige apenas \mathrm{O}_2 (nenhuma água).
  • Alternativa (b): \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}(\ell) \longrightarrow \mathrm{FeO}(\mathrm{s})+\mathrm{H}_{2}(\mathrm{g}). Produto \mathrm{FeO} tem \mathrm{Fe}^{2+}, mas a reação exige apenas água (nenhuma \mathrm{O}_2).
  • Alternativa (c): \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+\tfrac{1}{2}\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g})+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}(\ell) \longrightarrow \mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{2}(\mathrm{s}). Produto \mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{2} tem ferro no estado +2 (cada \mathrm{OH}^- é -1, dois \Rightarrow ferro +2). Esta reação exige tanto \mathrm{O}_2 quanto água.
  • Alternativa (d): \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+2\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}(\ell) \longrightarrow \mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{2}(\mathrm{s})+\mathrm{H}_{2}(\mathrm{g}). Produto com \mathrm{Fe}^{2+}, mas exige apenas água.

Passo 5

Confrontar cada alternativa com os resultados experimentais (aplicar o raciocínio do Passo 3):
  • Se a alternativa (a) fosse a correta (só \mathrm{O}_2 necessário), então no Experimento I, onde havia ar seco (ou seja, \mathrm{O}_2 disponível), deveríamos ver oxidação. Mas o Experimento I mostrou NÃO. Logo (a) é inconsistente com os dados.
  • Se a alternativa (b) fosse correta (só \mathrm{H}_2\mathrm{O} necessário), então no Experimento IV, em que a esponja ficou completamente mergulhada em água fervida (muita água presente), deveríamos ver oxidação. Mas o Experimento IV mostrou NÃO (e sabemos que água fervida tem quase nada de \mathrm{O}_2 dissolvido). Logo (b) é inconsistente.
  • Mesma razão para (d): exige apenas água; Experimento IV com água fervida não mostrou oxidação → (d) inconsistente.
  • Alternativa (c) exige simultaneamente \mathrm{O}_2 e \mathrm{H}_2\mathrm{O}. Verificações:
    • Experimento I (só \mathrm{O}_2, sem água) → não ocorre (ok, consistente).
    • Experimento II (água presente + ar seco com \mathrm{O}_2) → ocorre (ok).
    • Experimento III (parcialmente mergulhada: água + acesso ao \mathrm{O}_2 do ar) → ocorre (ok).
    • Experimento IV (água fervida: água presente, porém pouco/nada de \mathrm{O}_2 dissolvido) → não ocorre (ok).
      Portanto (c) é consistente com todos os quatro resultados experimentais.

Passo 6

Explicar mecanisticamente, de forma simples, por que a presença simultânea de água e oxigénio faz sentido para a formação de \mathrm{Fe}^{2+}:
  • A água funciona como meio que facilita a movimentação de íons e pode fornecer \mathrm{OH}^- que complexam o \mathrm{Fe}^{2+}, formando \mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{2}. Ou seja, a água ajuda a estabilizar o íon ferro +2.
  • O oxigénio molecular \mathrm{O}_2 age como aceitador de elétrons (agente oxidante) que possibilita que o ferro metálico perca elétrons e passe a \mathrm{Fe}^{2+}.
  • Sem \mathrm{O}_2 dissolvido (água fervida) não há quem aceite os elétrons que o ferro perderia, então a oxidação não prossegue; sem água não há meio para estabilizar os íons e completar a seqüência de passos que levam à formação de hidróxidos, portanto também não ocorre eficientemente (ar seco).

Passo 7

Verificação final do estado de oxidação em (c): na fórmula \mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{2} cada grupo \mathrm{OH} tem carga -1. Dois grupos dão -2, logo o ferro tem carga +2. Assim a equação (c) representa corretamente a conversão inicial \mathrm{Fe}(\mathrm{s}) \mathrm{Fe}^{2+}, conforme pedido.

Resposta

c) \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+\tfrac{1}{2}\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g})+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}(\ell)\longrightarrow \mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{2}(\mathrm{s})

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