Físico-Química Eletroquímica

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1 Físico-Química Eletroquímica TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: Grandes recalls de fabricantes de baterias de íons de lítio para notebooks suscitaram questões sobre como essas fontes de energia podem aquecer a ponto de pegar fogo. Igualmente válida é a dúvida sobre por que os acidentes não são mais frequentes: são poucos proporcionalmente às centenas de milhões de baterias vendidas anualmente. As células eletroquímicas de íons de lítio empregam vários materiais, mas quase todas são recarregáveis, como as usadas em câmeras fotográficas e telefones celulares, que utilizam óxido de lítio-cobalto no cátodo e grafite no ânodo. Embora essa formulação seja de certo modo inerentemente insegura, a fabricação cuidadosa e os dispositivos de segurança embutidos limitaram os acidentes a poucas ocorrências. Mesmo assim, os fabricantes de baterias têm aumentado a capacidade de carga em determinada célula devido à demanda dos fabricantes de eletrônicos por maior durabilidade. Portanto, agora a margem de erros é ainda menor. Aumentando o número de íons na célula, os fabricantes quadruplicaram a capacidade energética desde seu lançamento comercial em (FISCHETTI p. 1-11). Página 1 de 11

2 1. (Uneb 214) O cátodo da célula eletroquímica é formado por óxido de lítio e de cobalto, LiCoO 2 (s), e o ânodo, por grafite, quando a bateria está descarregada. Durante a recarga, a corrente elétrica é invertida, e os íons de lítio são reduzidos no eletrodo do grafite. Na descarga, os íons de lítio, Li +, deixam o grafite, após reação e voltam a formar óxido de lítio e de cobalto. Com base nas informações do texto, das figuras e considerando-se o funcionamento de célula eletroquímica e a força eletromotriz de célula igual a 3,7V, é correto afirmar: a) O eletrólito é uma solução aquosa de sal de lítio. b) O óxido de LiCoO 2 é oxidado a CoO 2, na recarga da pilha. c) A oxidação e a redução ocorrem, respectivamente, no cátodo e no ânodo, durante a descarga da pilha. d) A voltagem de bateria, formada a partir da ligação em paralelo de quatro células eletroquímicas de óxido de lítio-cobalto, é, aproximadamente, 15V. e) A ligação entre o cátodo e o ânodo através do separador, por meio de partículas metálicas, desvia o fluxo de corrente elétrica e causa resfriamento da célula eletroquímica. 2. (Ulbra 216) No capítulo Linhas de Força, Sacks relembra suas experiências com eletroquímica, em especial sua predileção pela pilha de Daniell, conforme o trecho Mas minha favorita continuou sendo a pilha de Daniell, e quando nos modernizamos e instalamos uma nova pilha seca para a campainha, eu me apropriei da de Daniell. (SACKS, O. Tio Tungstênio: Memórias de uma infância química. São Paulo: Cia. das Letras, 22). A pilha de Daniell, citada no texto, está representada abaixo: As reações (ou semirreações) de oxidação e redução são: 2 Zn Zn 2 e Semirreação de oxidação no ânodo (polo ) 2 Cu 2 e Cu Semirreação de redução no cátodo (polo ) E E,76 V,34 V O potencial padrão da pilha de Daniell, a partir das informações anteriores, é a) 1,1 V b) 1,1 V c),42 V d),42 V e),26 V Página 2 de 11

3 3. (Fepar 216) Uma das pilhas empregadas em aparelhos sem fio (câmeras de vídeo, barbeadores, telefones, ferramentas portáteis) é a pilha de níquel-cádmio. Essa pilha apresenta uma voltagem de 1,4 V, que se mantém constante até a descarga, demora mais tempo para se descarregar e pode ser recarregada até 4. vezes. A pilha de níquel-cádmio é baseada nas seguintes reações em meio alcalino (KOH) : Cd 2OH Cd(OH) 2 2e 2NiO(OH) 2H2O 2e 2Ni(OH) 2 2OH Cd 2NiO(OH) 2H2O Cd(OH) 2 2Ni(OH) 2 Sobre o assunto, avalie as afirmativas. ( ) No polo positivo ocorre a reação de redução do níquel. ( ) O cádmio funciona como anodo da pilha. ( ) O níquel tem menor potencial de redução do que o cádmio. ( ) O agente redutor da pilha é o níquel. ( ) No eletrodo de cádmio há ganho de elétrons. 4. (Pucmg 215) Uma pilha é realizada, nas condições padrões, a partir dos pares redox 2 Cu / Cu (E,34 V) e Cu / Cu (E,52 V). Sua força eletromotriz (fem) é: a),16 V b),18 V c),7 V d),86 V Página 3 de 11

4 5. (G1 - ifsul 215) Considere a célula eletroquímica a seguir e os potenciais de redução das semirreações: 2 Cu(aq) 2e Cu(s) E,34V 2 Ni(aq) 2e Ni(s) E,25V Qual é a ddp da pilha? a),59 V b),34 V c),25 V d),19 V 6. (Uepg 215) Considerando uma pilha constituída pelas seguintes semicélulas: Mg MgSO 4 e Cu CuSO 4 e uma ponte salina de KC. Sabendo-se que o potencial de redução do magnésio é E 2,37V e do cobre E,34V, assinale o que for correto sobre essa pilha. 1) O polo positivo da pilha é o magnésio ) A pilha pode ser representada por: Mg Mg / / Cu Cu. 4) O sentido do movimento dos íons positivos na ponte salina ocorre da semicélula Cu CuSO 4 para a Mg MgSO 4. 8) O catodo da pilha é o magnésio. 16) O sentido do movimento dos elétrons na parte externa do circuito ocorre da placa de magnésio para a placa de cobre. TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: Baterias são dispositivos capazes de transformar energia química em energia elétrica por meio de reações eletroquímicas. Atualmente, com o avanço na produção e consumo de equipamentos portáteis, um dos grandes desafios é fazer com que as baterias consigam acompanhar as novas tecnologias, tornando- se cada vez menores e apresentando um tempo maior de duração de descarga, além de aumentar, também, o número de ciclos de utilização. Neste panorama, as baterias de íon lítio representam o que temos de mais moderno, pois conseguem combinar alta performance com baixo peso. 7. (Pucpr 215) Supondo que um smartphone apresente um consumo de 5 ma de energia e funcione por um período de tempo de 386 segundos, qual a massa de íon de lítio que participou das reações eletroquímicas envolvidas? 1 Dado: Constante de Faraday 965 C mol a) 7, 1 g. b) 1,4 1 g. c) 1,4 1 g. 1 2 d) 7, 1 g. e) 2,8 1 g. Página 4 de 11

5 8. (Pucrs 214) Um estudante cravou uma lâmina de magnésio e uma lâmina de cobre em uma maçã, tendo o cuidado para que não encostassem uma na outra. A seguir, mediu a diferença de potencial entre as lâminas por meio de um voltímetro. Os potenciais de redução padrão do magnésio e do cobre são, respectivamente, 2,37V e +,34V. Pela análise do texto, é correto afirmar que a) o cobre se oxida, produzindo íons Cu 2+ (aq). b) o valor da diferença de potencial entre magnésio e cobre é, aproximadamente, +2,71 V. c) o magnésio é um agente oxidante, pois força o cobre a sofrer a redução. d) o experimento descrito resulta em uma reação não espontânea, pois o potencial é negativo. e) com o tempo, há tendência de a lâmina de cobre desaparecer. 9. (Uepg 213) Com relação às células eletrolíticas, assinale o que for correto. 1) Em uma célula eletrolítica, a corrente elétrica de uma fonte externa pode ser utilizada para que uma reação não espontânea ocorra. 2) Em uma célula eletrolítica, a oxidação ocorre no anodo. 4) Uma solução eletrolítica possui apenas cátions dissolvidos. 8) Na célula eletrolítica, os ânions migram do catodo para o anodo. 16) O anodo na célula eletrolítica constitui o eletrodo positivo, enquanto que o catodo é o eletrodo negativo. 1. (Upe 213) Realizou-se um experimento para recuperar metais a partir de placas de circuito impresso de sucatas de microcomputadores e aparelhos de TV, utilizando-se do método denominado eletro-obtenção. A mistura metálica foi previamente separada dos demais componentes e dissolvida em H 2 SO 4 concentrado e, depois, diluída em água. Montou-se uma célula para os ensaios de eletro-obtenção, usando-se uma placa de cobre como cátodo e uma placa de platina como ânodo. O gráfico a seguir se refere à variação da concentração dos metais na solução, ao longo do período de passagem da corrente pela solução. As informações contidas no gráfico acima indicam que, nessa eletro-obtenção, a) o chumbo foi depositado na placa de platina. b) a deposição do estanho no ânodo foi mais acentuada. c) a pilha apresentou um melhor rendimento para a deposição do estanho. d) os íons cobre que estavam em solução se depositaram no cátodo. e) o método se mostrou pouco eficiente para a reciclagem do cobre a partir da sucata. Página 5 de 11

6 11. (Ufrn 213) A purificação do cobre é essencial para sua aplicação em fios condutores de corrente elétrica. Como esse metal contém impurezas de ferro, zinco, ouro e platina, é preciso realizar um processo de purificação na indústria para obtê-lo com mais de 99% de pureza. Para isso, é necessário colocá-lo no anodo de uma cuba com solução aquosa de sulfato de cobre e aplicar corrente elétrica de forma a depositá-lo no catodo, fazendo-o atingir essa pureza. Apesar de ser um método lento e de consumir grande quantidade de energia, os custos de produção são compensados pelos subprodutos do processo, que são metais como ouro, platina e prata. O método de purificação do cobre é conhecido como a) pilha galvânica, sendo que, no anodo, ocorre a oxidação do cobre metálico, e o metal que se deposita no catodo é resultado da redução dos íons Cu 2+ da solução aquosa. b) eletrólise, sendo que, no anodo, ocorre a oxidação do cobre metálico, e o metal que se deposita no catodo é resultado da redução dos íons Cu 2+ da solução aquosa. c) eletrólise, sendo que, no anodo, ocorre a redução do cobre metálico, e o metal que se deposita no catodo é resultado da oxidação dos íons Cu 2+ da solução aquosa. d) pilha galvânica, sendo que, no anodo, ocorre a redução do cobre metálico, e o metal que se deposita no catodo é resultado da oxidação dos íons Cu 2+ da solução aquosa. TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: Leia o texto para responder à questão. O silício metalúrgico, purificado até atingir 99,99% de pureza, é conhecido como silício eletrônico. Quando cortado em fatias finas, recobertas com cobre por um processo eletrolítico e montadas de maneira interconectada, o silício eletrônico transforma-se em microchips. A figura reproduz uma das últimas etapas da preparação de um microchip. As fatias de silício são colocadas numa solução de sulfato de cobre. Nesse processo, íons de cobre deslocam-se para a superfície da fatia (cátodo), aumentando a sua condutividade elétrica. ( Adaptado.) 12. (Unesp 213) A semirreação na superfície da fatia de silício, cátodo, é representada por: 2 a) Cu 2H2O O 2(g) 4H Cu(s). b) 2Cu H2O 2Cu(s) H2O 2e. 2 2 c) 2SO4 S2O8 2e. 4 d) Si(s) 4e Si (s). 2 e) Cu 2e Cu(s). Página 6 de 11

7 13. (Ufsj 212) Os potenciais de redução padrão a 25 C para os pares C 2 /C e 3 A /A são +1,36V e 1,67V, respectivamente. Nos municípios onde a água é desinfetada com cloro gasoso, observa-se, com o tempo, o desgaste dos encanamentos de alumínio (extensores) que levam água aos chuveiros elétricos. A explicação CORRETA para esse fenômeno é que o cloro a) é reduzido a íons cloreto, mantendo o alumínio em estado neutro. b) reage com íons alumínio, formando íons cloreto. c) reduz o alumínio metálico, produzindo íons alumínio. d) oxida o alumínio metálico, produzindo íons alumínio. 14. (Pucrj 212) A partir dos valores de potencial padrão de redução apresentados abaixo, o potencial padrão do sistema formado por um anodo de Zn/Zn 2+ e um catodo de Ag/AgC seria: 2 Zn aq 2e Zn s E,76 V versus eletrodo padrão de hidrogênio AgC s e Ag s C aq E,2 V versus eletrodo padrão de hidrogênio a) 1,32 V b) 1,16 V c),36 V d) +,56 V e) +,96 V Página 7 de 11

8 Gabarito: Resposta da questão 1: [B] [Resposta do ponto de vista da disciplina de Física] [D] Falsa. Quando são associados geradores idênticos em paralelo, a força eletromotriz equivalente é igual à de cada bateria, no caso, 3,7 V. Observação: o Sistema Internacional de Unidades desconsidera como técnicos os termos voltagem, amperagem, watagem etc. É recomendado o uso de tensão elétrica ou diferença de potencial em vez de voltagem. [Resposta do ponto de vista da disciplina de Química] [A] Incorreta. O lítio possui uma alta reatividade em água, motivo pelo qual todas as pilhas de lítio, usam como eletrólitos compostos não-aquosos, em recipientes hermeticamente fechados. [B] Correta. O óxido de LiCoO 2 é oxidado a CoO 2, na recarga da pilha. Li 1e Li [C] Incorreta. Tanto na pilha quanto na eletrólise a oxidação ocorre no ânodo e a redução no cátodo. [D] Incorreta. Pois nesse tipo de associação, a ddp resultante é igual a ddp individual de cada pilha, ou seja, 3,7V [E] Incorreta. O cátodo e o ânodo são separados por um material poroso que contém o eletrólito, esse material, conhecido como separador, evita que os íons dos elétrodos se misturem e provoquem uma reação, durante o tempo em que a pilha não está em funcionamento, provocando o desgaste prematuro do ânodo e consequentemente reduzir a vida útil da pilha. Resposta da questão 2: [A] Gabarito Oficial: ANULADA Gabarito SuperPro : [A] O potencial padrão da pilha de Daniell, será: Ered Zn,76V Ered Cu,34V 2 Zn Zn 2 e E,76V 2 Cu 2 e Cu E,34V Zn +Cu 2 Cu Zn 2 ΔE E red(cátodo) E red(ânodo) ΔE,34 (,76) ΔE 1,1V Página 8 de 11

9 Resposta da questão 3: V V F F F. Verdadeira. O polo positivo (cátodo) é onde ocorre a redução do níquel. Verdadeira. O cádmio irá oxidar, sendo, portanto, o ânodo da pilha. Falsa. Como o níquel está reduzindo, ele possui o maior potencial de redução. Falsa. O cádmio irá oxidar, sendo, o agente redutor nesta pilha. Falsa. Como o cádmio oxida, ele irá perder elétrons. Resposta da questão 4: [B] ΔE Emaior Emenor ΔE,52 (,34),18 V Resposta da questão 5: [A] 2 Cu(aq) 2e Cu (s) E,34V 2 Ni(s) Ni(aq) 2e E,25V 2 2 Ni(s) Cu(aq) Ni(aq) Cu(s) ΔE,59V Resposta da questão 6: = 18. Montando a pilha, teremos: 2 Mg Mg 2e E 2,37V 2 Cu 2e Cu E,37V 2 2 Mg Cu Cu Mg ΔE 2,74V [1] Incorreta. Em uma pilha, por convenção, o polo positivo é o cátodo, e o cátodo é o elemento que irá reduzir, portanto, o cobre. [2] Correta. A representação simplificada da pilha é dada genericamente por: A / A // B / B 2 2 Assim, teremos: Mg / Mg // Cu / Cu [4] Incorreta. O sentido dos íons positivos da ponte salina ocorre do Mg para o Cu, o acúmulo de íons 2 Mg são transferidos para o eletrodo de cobre, que é menos reativo que 2 o magnésio, para neutralizar o excesso de cargas negativas (SO 4 ) que ocorre devido à 2 diminuição de íons Cu em solução. [8] Incorreta. Em uma pilha, o cátodo é o elemento que irá reduzir, portanto, o cobre. [16] Correta. Os elétrons fluem do ânodo para o cátodo, portanto, da placa de magnésio para a placa de cobre. Página 9 de 11

10 Resposta da questão 7: [C] i 5mA t 368s Q i t 3 Q C 1 mol de Li Li Li 1e 7g x 2 x 1,4 1 g 1 mol de e 1 965C 193C Resposta da questão 8: [B] Nesse sistema é formada a seguinte pilha: 2 Mg Mg 2e E 2,37V 2 Cu 2e Cu E,34V 2 2 Cu Mg Mg Cu E 2,71V Portanto: [A] Incorreta. O cobre reduz, formando Cu. [B] Correta. A d.d.p. formada entre os eletrodos é de + 2,71V. [C] Incorreta. O magnésio oxida, portanto é o agente redutor. [D] Incorreta. O experimento resulta em uma reação espontânea, pois a d.d.p é positiva. [E] Incorreta. Com o tempo a lâmina de cobre aumenta sua massa e a de magnésio sofre corrosão. Resposta da questão 9: = 27. 1) Verdadeira. No processo eletrolítico, ocorre uma reação de oxidorredução não espontânea, ou seja, que necessita de energia para sua ocorrência. 2) Verdadeira. O ânodo corresponde ao eletrodo positivo no qual ocorrerá a oxidação. 4) Falsa. Numa solução eletrolítica, que é eletricamente neutra, há cátions e ânimos dissolvidos e a soma das cargas vale zero. 8) Verdadeira. O ânodo corresponde ao polo positivo, que atrai ânions. 16) Verdadeira. Resposta da questão 1: [D] Observa-se no gráfico que a concentração de íons cobre presentes na solução caiu para zero por volta dos 6 minutos. Isso significa que houve deposição de cobre da solução no eletrodo. Página 1 de 11

11 Resposta da questão 11: [B] Considerações: 1. O processo eletroquímico pode ser chamado de eletrólise, pois ocorre com consumo de energia, ou seja, de forma não espontânea. 2. Se o objeto de cobre for colocado no ânodo, significa que sofrerá oxidação, e os íons cobre- II serão depositados, por redução, no cátodo do processo eletrolítico. 2 Equação do ânodo: Cu(s) Cu (aq) 2e 2 Equação no cátodo: Cu (aq) 2e Cu(s) Resposta da questão 12: [E] Os cátions cobre II, proveniente da solução de sulfato de cobre, sofrem redução: 2 Cu (aq) 2e Cu(s). Resposta da questão 13: [D] As equações de oxidação e redução podem ser expressas por: 3 Oxidação do alumínio metálico: 2A (s) 2A (aq) 6e Redução do cloro gasoso: 3C 2(g) 6e 6C (aq) Note que o cloro gasoso sofre redução devido ao seu alto potencial de redução (+1,36V). O 3 alumínio metálico oxida a A. Resposta da questão 14: [E] Para o cálculo do potencial de pilha, podemos proceder da seguinte forma: E PILHA = E OXIDAÇÃO + E REDUÇÃO Se o zinco constitui o ânodo, teremos: E OXIDAÇÃO = +,76V A prata constitui o cátodo. Assim: E REDUÇÃO = +,2V Portanto, E PILHA = +,96V Página 11 de 11