(Vunesp) Duas fitas idênticas de magnésio metálico são colocadas, separadamente, em dois recipientes. No primeiro recipiente adicionou-se solução aquosa de HCl e, no segundo, solução aquosa de \mathrm{CH}_{3} \mathrm{COOH}, ambas de concentração 0,1 \mathrm{~mol} / \mathrm{L}.
Foram feitas as seguintes afirmações:
I. As reações se completarão ao mesmo tempo nos dois recipientes, uma vez que os ácidos estão presentes na mesma concentração.
II. O magnésio metálico é o agente oxidante nos dois casos.
III. Um dos produtos formados em ambos os casos é o hidrogênio molecular.
IV. As velocidades das reações serão afetadas se as fitas de magnésio forem substituídas por igual quantidade desse metal finamente dividido.
Que afirmações são verdadeiras?
a) I e II, apenas.
b) II e III, apenas.
c) I e III, apenas.
d) III e IV, apenas.

Passo 1

Enunciado resumido e dados fornecidos:
  • Duas fitas idênticas de magnésio metálico ( \mathrm{Mg}) são colocadas separadamente em dois recipientes.
  • No primeiro recipiente há solução aquosa de \mathrm{HCl} com concentração 0,1\\ \mathrm{mol/L}.
  • No segundo recipiente há solução aquosa de \mathrm{CH_{3}COOH} com concentração 0,1\\ \mathrm{mol/L}.
  • Foram dadas quatro afirmações sobre as reações e precisamos dizer quais são verdadeiras:
    I. As reações se completarão ao mesmo tempo nos dois recipientes, uma vez que os ácidos estão presentes na mesma concentração.
    II. O magnésio metálico é o agente oxidante nos dois casos.
    III. Um dos produtos formados em ambos os casos é o hidrogênio molecular.
    IV. As velocidades das reações serão afetadas se as fitas de magnésio forem substituídas por igual quantidade desse metal finamente dividido.
  • Objetivo: decidir quais das afirmações I–IV são verdadeiras e, portanto, escolher a alternativa correta (a, b, c ou d).

Passo 2

Escrevendo as reações químicas globais e o que elas formam:
  • Em ácido forte (ácido clorídrico) a reação típica com magnésio é:
\mathrm{Mg} + 2\,\mathrm{HCl} \to \mathrm{MgCl_{2}} + \mathrm{H_{2}}
  • Em ácido acético (ácido fraco) a reação global é análoga, formando acetato de magnésio e hidrogênio:
\mathrm{Mg} + 2\,\mathrm{CH_{3}COOH} \to \mathrm{Mg(CH_{3}COO)_{2}} + \mathrm{H_{2}}
  • Observação didática: em ambas as equações aparece \mathrm{H_{2}} (hidrogênio molecular) como produto, porque o metal doa elétrons que reduzem prótons ( \mathrm{H^{+}}) a \mathrm{H_{2}}. Vou explicar melhor isso nos próximos passos.

Passo 3

Explicando por que a afirmação III é verdadeira (um dos produtos é \mathrm{H_{2}}):
  • Conceito importante: quando um metal como \mathrm{Mg} reage com um ácido, o metal é oxidado e os íons \mathrm{H^{+}} presentes na solução são reduzidos a \mathrm{H_{2}}.
  • Reação de meia-reações (intuição):
    • Oxidação: \mathrm{Mg} \to \mathrm{Mg^{2+}} + 2\,\mathrm{e^{-}}
    • Redução: 2\,\mathrm{H^{+}} + 2\,\mathrm{e^{-}} \to \mathrm{H_{2}}
  • Junta-se para dar a reação global que já escrevemos, com \mathrm{H_{2}} como produto em ambos os casos.
  • Conclusão deste passo: a afirmação III é verdadeira.

Passo 4

Explicando por que a afirmação II é falsa (sobre agente oxidante):
  • Definições essenciais (bem didáticas):
    • Agente oxidante é a espécie que causa a oxidação em outra e que, por isso, é ela própria reduzida.
    • Agente redutor é a espécie que doa elétrons (é oxidada).
  • No nosso caso:
    • \mathrm{Mg} passa de estado elementar a \mathrm{Mg^{2+}}; isto é oxidação (perde elétrons).
    • Logo, \mathrm{Mg} é o agente redutor, não o agente oxidante.
  • Portanto, afirmar que “o magnésio metálico é o agente oxidante” está errado. A afirmação II é falsa.

Passo 5

Analisando a afirmação I (tempo de conclusão igual porque concentrações iguais) — por que é falsa:
  • Ponto chave: concentração total do ácido e força do ácido são coisas diferentes.
  • Ácido forte \mathrm{HCl}: dissocia-se completamente em água. Assim, a concentração de prótons livres inicialmente é aproximadamente
[\mathrm{H^{+}}]_{\mathrm{HCl}} \approx 0,1\\ \mathrm{mol/L}.
  • Ácido fraco \mathrm{CH_{3}COOH}: não se dissocia completamente. A constante de acidez do ácido acético é aproximadamente
K_{a}=1,8\times10^{-5}.
  • Para uma solução inicial C=0,1\\ \mathrm{mol/L} de um ácido fraco, a concentração inicial de \mathrm{H^{+}} (aproximada) pode ser estimada por
[\mathrm{H^{+}}] \approx \sqrt{K_{a}C} = \sqrt{(1,8\times10^{-5})(0,1)} = \sqrt{1,8\times10^{-6}} \approx 1,34\times10^{-3}\\ \mathrm{mol/L}.
  • Comparação numérica (resumindo):
    • \mathrm{HCl}: [\mathrm{H^{+}}]\approx 0,1\\ \mathrm{mol/L}.
    • \mathrm{CH_{3}COOH}: [\mathrm{H^{+}}]\approx 1,34\times10^{-3}\\ \mathrm{mol/L}.
  • Consequência para a cinética:
    • A velocidade inicial de reação do metal com ácido depende fortemente da disponibilidade de \mathrm{H^{+}} que pode aceitar elétrons. Em \mathrm{HCl} há muito mais prótons livres do que em \mathrm{CH_{3}COOH}, então a reação com \mathrm{HCl} é muito mais rápida inicialmente.
    • Mesmo que, estoiquiometricamente, cada molécula de \mathrm{CH_{3}COOH} possa ceder um próton quando reagida (levando à formação de acetato), a dissociação para fornecer esses prótons é lenta e limitada pelo equilíbrio; assim a velocidade da reação no início é muito menor.
  • Portanto, a afirmação I — que “as reações se completarão ao mesmo tempo” simplesmente porque as concentrações nominais dos ácidos são iguais — é incorreta. Tem-se que a força do ácido e a cinética importam. Conclusão: I é falsa.

Passo 6

Analisando a afirmação IV (efeito da divisão do metal sobre a velocidade) — por que é verdadeira:
  • Conceito importante: reações entre um sólido e uma fase líquida são, em grande parte, controladas pela área de contato entre sólido e líquido.
  • Se substituirmos as fitas por igual massa do mesmo metal finamente dividido (mais superfície exposta), a área de superfície disponível para reagir aumenta muito.
  • Aumentando a área superficial, aumentamos a taxa de colisões efetivas entre elétrons do metal e as espécies na solução, logo a velocidade da reação aumenta (muito usada em química prática: pó reage muito mais rápido que pedaço grosso).
  • Exemplo simples: uma lâmina de metal pode reagir devagar com ácido; o pó do mesmo metal pode pegar fogo (ou reagir muito mais rápido) pela grande área de contato.
  • Conclusão: a afirmação IV é verdadeira.

Passo 7

Resumo final das verdades das afirmações:
  • I: falsa (mesma concentração nominal ≠ mesma velocidade/tempo de conclusão; ácido forte vs fraco).
  • II: falsa ( \mathrm{Mg} é agente redutor, não agente oxidante).
  • III: verdadeira (em ambas as reações forma-se \mathrm{H_{2}}).
  • IV: verdadeira (aumentar a área superficial aumenta a velocidade da reação).

Resposta

d) III e IV, apenas.

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