Use dados termodinâmicos para predizer se o sódio ou a prata reagirá com a água, a 298 K .
Passo 1
O enunciado nos dá duas reações que comparam se o metal (sódio ou prata) é oxidado pela água a
:
O que o problema pede: prever, usando dados termodinâmicos (valores padrão), se cada metal reage com a água a
.
Informações numéricas de referência que serão usadas (valores-padrão de potenciais de eletrodo à
, extraídos de tabelas termodinâmicas):
- potencial de redução padrão da meia-reação de redução da água em meio básico:
- potencial de redução padrão do cátion sódio:
- potencial de redução padrão do cátion prata:
Constante de Faraday que usaremos:
Observação: esses valores são valores-padrão tabelados à
; a aplicação pede só prever espontaneidade a
, portanto usaremos os potenciais padrão.]
Passo 2
Explicação didática do método (sem pular etapas):
- Uma reação redox global pode ser vista como combinação de duas meias-reações: redução no cátodo e oxidação no ânodo.
- Cada meia-reação tem um potencial de redução padrão
(em volts). Esses são tabelados; quanto maior o mais fácil é a espécie ser reduzida. - Para uma célula eletroquímica padrão, o potencial de célula padrão é
onde
e
são os potenciais de redução padrão das meias-reações que acontecem como redução (cátodo) e redução correspondente ao ânodo (mesmo que no ânodo ocorra a oxidação, usa-se o potencial de redução tabelado e subtrai-se).
- A relação entre a variação de energia livre padrão
e o potencial padrão da célula é
onde
é o número total de elétrons transferidos na reação global e
é a constante de Faraday.
- Se
então e a reação é espontânea (termodinamicamente favorável) sob condições padrão; se então e a reação não é espontânea sob condições padrão.
Aplicação a estas reações: em ambas as reações a meia-reação de redução (no cátodo) é a redução da água para formar
e
(valor dado acima). A meia-reação de oxidação (ânodo) é a oxidação do metal
para
, que tem como potencial de redução tabelado
. Assim
O número de elétrons envolvidos na equação global dada é
(veja as equações: duas unidades de metal trocam ao todo 2 elétrons que reduzem 2 H2O a H2).
Passo 3
Cálculo para o sódio (detalhado passo a passo):
- Potenciais usados (peguei-os de tabela, listados no Passo 1):
- Calcular o potencial padrão da célula:
- Calcular
usando e :
Agora executamos a multiplicação (faço passo a passo para dar segurança):
Assim
Interpretação:
negativo e bastante grande em magnitude
a reação do sódio com água é termodinamicamente espontânea a
. (Na prática: sódio metálico reage vigorosamente com água produzindo hidróxido de sódio e hidrogênio).
Passo 4
Cálculo para a prata (detalhado passo a passo):
- Potenciais usados (peguei-os de tabela, listados no Passo 1):
- Calcular o potencial padrão da célula:
(Arredondei a
.)
- Calcular
com :
Novamente multiplicando:
Como o sinal é negativo vezes negativo, resulta em
positivo:
Interpretação:
positivo indica que a reação da prata com água não é termodinamicamente espontânea a
. Logo, prata metálica não reage com água para formar
,
e
nas condições padrão.
Passo 5
Resumo físico-químico e comentário prático (didático e motivador):
- Resultado físico: para que um metal
reaja com água produzindo , e , o metal precisa estar mais reativo (ter menor potencial de redução) que a meia-reação de redução da água. O sódio tem , muito menor que , portanto a reação é favorável ( , ). A prata tem , maior que o da água, então não desloca a água ( , ). - Observação sobre cinética: aqui tratamos a termodinâmica (se a reação é energeticamente favorável). Mesmo que
, fatores cinéticos (barreiras de ativação) controlam quão rápido a reação ocorre; no caso do sódio, a reação é também muito rápida e vigorosa. No caso da prata, embora termodinâmica indique não espontaneidade, em presença de agentes oxidantes específicos a prata pode oxidar; mas não por água pura à .
Resposta
Sódio: reage com água a
;
(espontâneo).
Prata: não reage com água a ;
(não espontâneo).
Prata: não reage com água a